Linux shell I/O重定向详解

  Linux shell I/O重定向详解
I/O重定向详解及应用实例

1、 基本概念（这是理解后面的知识的前提，请务必理解）
a、 I/O重定向通常与 FD有关，shell的FD通常为10个，即 0～9；
b、 常用FD有3个，为0（stdin，标准输入）、1（stdout，标准输出）、2（stderr，标准错误输出），默认与keyboard、monitor、monitor有关；
c、 用 < 来改变读进的数据信道(stdin)，使之从指定的档案读进；
d、 用 > 来改变送出的数据信道(stdout, stderr)，使之输出到指定的档案；
e、 0 是 < 的默认值，因此 < 与 0<是一样的；同理，> 与 1> 是一样的；
f、 在IO重定向 中，stdout 与 stderr 的管道会先准备好，才会从 stdin 读进资料；
g、 管道“|”(pipe line):上一个命令的 stdout 接到下一个命令的 stdin;
h、 tee 命令是在不影响原本 I/O 的情况下，将 stdout 复制一份到档案去;
i、 bash（ksh）执行命令的过程：分析命令－变量求值－命令替代（``和$( )）－重定向－通配符展开－确定路径－执行命令；
j、 ( ) 将 command group 置于 sub-shell 去执行，也称 nested sub-shell，它有一点非常重要的特性是：继承父shell的Standard input, output, and error plus any other open file descriptors。
k、 exec 命令：常用来替代当前 shell 并重新启动一个 shell，换句话说，并没有启动子 shell。使用这一命令时任何现有环境都将会被清除。exec 在对文件描述符进行操作的时候，也只有在这时，exec 不会覆盖你当前的 shell 环境。


2、 基本IO
cmd > file            把 stdout 重定向到 file 文件中
cmd >> file           把 stdout 重定向到 file 文件中(追加)
cmd 1> fiel           把 stdout 重定向到 file 文件中
cmd > file 2>&1       把 stdout 和 stderr 一起重定向到 file 文件中
cmd 2> file           把 stderr 重定向到 file 文件中
cmd 2>> file          把 stderr 重定向到 file 文件中(追加)
cmd >> file 2>&1      把 stderr 和 stderr 一起重定向到 file 文件中(追加)
cmd < file >file2     cmd 命令以 file 文件作为 stdin，以 file2 文件作为 stdout
cat <>file            以读写的方式打开 file
cmd < file            cmd 命令以 file 文件作为 stdin
cmd << delimiter Here document，从 stdin 中读入，直至遇到 delimiter 分界符


3、 进阶IO
>&n     使用系统调用 dup (2) 复制文件描述符 n 并把结果用作标准输出
<&n     标准输入复制自文件描述符 n
<&-     关闭标准输入（键盘）
>&-     关闭标准输出
n<&-    表示将 n 号输入关闭
n>&-    表示将 n 号输出关闭
上述所有形式都可以前导一个数字，此时建立的文件描述符由这个数字指定而不是缺省的 0 或 1。如：
... 2>file   运行一个命令并把错误输出(文件描述符 2)定向到 file。
... 2>&1     运行一个命令并把它的标准输出和输出合并。(严格的说是通过复制文件描述符 1 来建立文件描述符 2 ，但效果通常是合并了两个流。)
我们对 2>&1详细说明一下 ：
2>&1 也就是 FD2＝FD1 ，这里并不是说FD2 的值 等于FD1的值，因为 > 是改变送出的数据信道，也就是说把 FD2 的 “数据输出通道” 改为 FD1 的 “数据输出通道”。如果仅仅这样，这个改变好像没有什么作用，因为 FD2 的默认输出和 FD1的默认输出本来都是 monitor，一样的！
但是，当 FD1 是其他文件，甚至是其他 FD 时，这个就具有特殊的用途了。请大家务必理解这一点。

exec 0exec 1>outfilename # 打开文件outfilename作为stdout
exec 2>errfilename # 打开文件 errfilename作为 stderr
exec 0<&- # 关闭 FD0
exec 1>&- # 关闭 FD1
exec 5>&- # 关闭 FD5

问：
如果关闭了 FD0、FD1、FD2，其后果是什么？
恢复 FD0、FD1、FD2与 关闭FD0、FD1、FD2 有什么区别？代码分别是什么？
打开了FD3～FD9，我们用完之后，你觉得是将他们关闭还是恢复？


下面是提示（例子来源于CU一帖子，忘记出处，来日再补上）：
exec 6>&2 2>ver
command >>dev/null &
exec 2>&6 # 恢复 FD2


4、 简单举例（其中 you 这个文件是存在的，no和yes这两个文件不存在）
a、stdout和stderr都通过管道送给egrep了：
(ls you no 2>&1;ls yes 2>&1) 2>&1|egrep \* >file
(ls you no 2>&1;ls yes 2>&1)|egrep \* >file
(ls you no;ls yes) 2>&1|egrep \* >file
###
这个例子要注意的就是：
理解 命令执行顺序 和 管道“|”：在命令执行前，先要进行重定向的处理，并将把 nested sub-shell 的stdout 接到 egrep 命令的 stdin。
nested sub-shell ，在 ( ) 中的两个命令加上（），可以看作一个命令。其 FD1 已经连接到“|”往egrep送了，当遇到 2>&1时，也就是FD2＝FD1，即FD2同FD1一样，往管道 “|”那边送。
###

b、没有任何东西通过管道送给egrep，全部送往monitor。
(ls you no 2>&1;ls yes 2>&1) >&2|egrep \* >file
虽然在（）里面将 FD2转往FD1，但在（）外，遇到 >&2 ，结果所有的都送到monitor。
请理解：
(ls you no 2>&1) 1>&2|egrep \* >file ## 送到 monitor
ls you no 2>&1 1>&2|egrep \* >file ## 送给 管道 “|”
ls you no 1>&2 2>&1|egrep \* >file ## 送到 monitor


5、 中阶例子（其中 you 这个文件是存在的，no和yes这两个文件不存在）
r2007兄的：
条件：
stderr通过管道送给egrep，正确消息仍然送给monitor（不变）
exec 4>&1;(ls you no 2>&1 1>&4 4>&-;ls yes 2>&1 1>&4 4>&-)|egrep \* >file;exec 4>&-
或者
exec 4>&1;(ls you no;ls yes) 2>&1 1>&4 4>&-|egrep \* >file;exec 4>&-

r2007 兄在其贴已有详细说明，我就不在说明了。
如果加两个条件：
（1）要求cmd1和cmd2并行运行；
（2）将cmd1的返回值赋给变量 ss。
则为：
exec 3>&1;exec 4>&1
ss=$(((ls you no 2>&1 1>&3 3>&-;echo $? >&4)|egrep \* >file) 4>&1)
exec 3>&-;exec 4>&-

说明：
exec 3>&1;4>&1
### 建立FD3，是用来将下面ls那条语句（子shell）中的FD1 恢复到正常FD1，即输出到monitor，你可以把FD3看作最初始的FD1的硬盘备份（即输出到monitor）；
### 建立FD4，到时用作保存ls的返回值（echo $?），你可以将FD4看作你考试时用于存放计算“echo $?”的草稿纸；

(ls you no 2>&1 1>&3 3>&-;echo $? >&4)
### 大家还记得前面说的子shell和管道吧。这条命令首先会继承FD0、FD1、FD2、FD3、FD4，它位于管道前，所以在运行命令前会先把子shell自己的FD1和管道“|”相连。
但是我们的条件是stderr通过管道送往egrep，stdout仍然输出到monitor。
于是通过2>&1，先把 子shell的FD1 的管道“送给”FD2，于是子shell中的stderr送往管道“|”；
再通过 1>&3，把以前的“硬盘备份”恢复给子shell的FD1，于是子shell中的FD1变成送到monitor了。
再通过3>&- ，将3关闭；
接着运行echo $? ，本来其输出值应该送往管道的，通过 >&4 ，将 输出 送往 “草稿纸”FD4，留以备用。

((ls you no 2>&1 1>&3 3>&-;echo $? >&4)|egrep \* >file)
于是，stderr 通过管道送给 egrep ，stdout 送给monitor，但是，还有 FD4，它送到哪去了？
$(((ls you no 2>&1 1>&3 3>&-;echo $? >&4)|egrep \* >file) 4>&1)
最后的 4>&1 ，就是把FD4 重定向到 FD1。但由于其输出在 $( )中，其值就赋给变量ss了。

最后一行关闭 FD3、FD4。


6、 高阶例子
lightspeed 版主大大的：Shell 经典问题之 [ I/O 重定向] （
[Q] 对于命令 cmd1, cmd2, cmd3, cmd4. 如何利用单向管道完成下列功能：
1. 所有命令并行执行
2. cmd1 和 cmd2 不需要 stdin
3. cmd1 和 cmd2 的 stdout 定向到 cmd3 的 stdin
4. cmd1 和 cmd2 的 stderr 定向到 cmd4 的 stdin
5. cmd3 的 stdout 定向到文件 a, stderr 定向到屏幕
6. cmd4 的 stdout 定向到文件 b, stderr 定向到屏幕
7. cmd1 的返回码赋给变量 s
8. 不能利用临时文件

解决方法：
exec 3>&1; exec 4>&1
s=$(((((cmd1 1>&3 ; echo $? >&4 )| cmd2 ) 3>&1 | cmd3 >a 2>&3 ) 2>&1 | cmd4 >b ) 4>&1)
exec 3>&-; exec 4>&-

这个我一步步解释（好复杂，自己感觉看明白了，过一会再看，大脑仍然有几分钟空白～～～，没想到我也能看明白）：
exec 3>&1; exec 4>&1
### 前面的例子都有说明了，就是建立FD3 ，给cmd1恢复其FD1用和给cmd3 恢复其FD2用
### 建立FD4，保存“echo $?”输出值的“草稿纸”

第一对括号：(cmd1 1>&3 ; echo $? >&4 ) 和其后（第一个）管道
## 在第一个括号（子shell）中，其FD1已经连到 管道中了，所以用 FD3 将 FD1恢复正常，不让他往管道跑；
## 这里的cmd1没有stdin，接着将 cmd1 运行的返回码 保存到 FD4 中；

第二对括号：((cmd1 1>&3 ; echo $? >&4 )| cmd2 ) 3>&1 和其后（第二个）管道
## 前面的 FD1 已经不送给 cmd2了，FD2 默认也不送过来，所以cmd2 也没有stdin ，所以在第二对括号里面：cmd1和cmd2 的stdout、stderr 为默认输出，一直遇到 “3>&1”为止。
## 请注意：“3>&1”，先将第二对括号看出一个命令，他们遇到 第二个管道时，其FD1 连到 管道 “|”，由于“3>&1”的作用，子shell的FD1 送给FD3 使用，所以所有FD3 的输出都 “流往”cmd3，又由于继承关系（继承第一行的命令），FD3实际上就是cmd1和cmd2的stdout，于是“ cmd1 和 cmd2 的 stdout 定向到 cmd3 的 stdin”

第三对括号：(((cmd1 1>&3 ; echo $? >&4 )| cmd2 ) 3>&1 | cmd3 >a 2>&3 ) 2>&1 和其后的第三个管道
## cmd1 和 cmd2 的 stdout 已经定向到 cmd3 的 stdin，处理之后，cmd3 >a 意味着将其 stdout 送给 a 文件。而2>&3的意思是：恢复cmd3的错误输出为FD3，即送往 monitor。于是“cmd3 的 stdout 定向到文件 a, stderr 定向到屏幕”。如果没有“2>&3”，那么cmd3的错误输出就会干扰cmd1和cmd2的错误输出，所以它是必须的！

## 请注意第三对括号后的 “2>&1”| ，其子shell的FD1 本来连接着管道“|”，但子shell FD1 慷慨大方，送给了 FD2，于是FD2 连接着管道。还记得前面的 cmd1 和 cmd2 吗？他们的stderr一直没动了。于是在这里，通过管道送给了 第四个命令cmd4 了。即“cmd1 和 cmd2 的 stderr 定向到 cmd4 的 stdin”
## 后面就比较简单了。cmd4 >b 表示“cmd4 的 stdout 定向到文件 b, stderr 定向到屏幕（默认）”

第 四对括号：((((cmd1 1>&3 ; echo $? >&4 )| cmd2 ) 3>&1 | cmd3 >a 2>&3 ) 2>&1 | cmd4 >b ) 与其后的 4>&1
## 四对括号里面的 FD1、FD2都处理完了。但是还记得前面“echo $? >&4”那块“草稿纸”吗？“4>&1”的作用就是“将草稿纸上的内容送给monitor”，但是由于最外面还有 $() 将其“包着”。于是其值赋给变量“s”。

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我尝试回答下面的问题。如有错误，还请各位前辈指正！


7、 在一个交互式的(Interactive) shell 中, 用 exec 进行 I/O 重定向.
1）. Stdin, stderr 可以定向到文件中吗? 有什么结果?
a、 在交互式shell中，可以将stdin定向到文件。执行：exec 0结果为：in 文件中每一行均会被自动执行，并且在最后会再加执行一个 exit 命令，导致退出（或退回到正常shell下）。
如 in 文件内容：$ more in
date
read lsp
echo hahha
echo "this is $lsp"

在提示符下执行命令：$ exec 0$ date
Tue Jan 18 18:29:07 HKT 2005
$ read lsp # 其下面本应有的那句“ echo hahha ”的 “hahaha” 已经被读入到变量 lsp 中了
$ echo "this is $lsp"
this is echo hahha
$ exit

b、 在交互式shell中，可以将stderr定向到文件。执行：exec 2>err
结果为：命令提示符PS被屏蔽，输入的命令也被屏蔽。但是命令执行的结果，如果是stdout 则会回显到屏幕上，如果是 stderr 则不会回显到屏幕上。其中，命令提示符、命令、stderr均会保存到文件 err 中。如：
$ exec 2>err
err in out # 执行 ls 命令
Tue Jan 18 18:55:58 HKT 2005 # 执行 date 命令，而后执行了“ ls nofile”，nofile这个文件不存在
$ # 执行 exit 命令

现在让我们查看 err文件：
$ more err
[lsp@ii lsp]$ ls
[lsp@ii lsp]$ date
[lsp@ii lsp]$ ls nofile
ls: nofile: No such file or directory
[lsp@ii lsp]$ exit
exit

c、 在交互式shell中，可以将stdout定向到文件。这个使我们常用到的。就不说了。就是将错误的输出内容定向到文件中。正确的输出内容并不受影响。

2）. Stdin, Stderr 可以关闭吗? 有什么结果?
在交互式shell中，如果关闭stdin，如：exec 0<&- ，其结果是退出（或退回到正常shell下）。
在交互式shell中，如果关闭stderr，如：exec 2>&- ，状态同stderr定向到文件，唯一不同的是没有保存下来。
在 交互式shell中，如果关闭stdoutr，如：exec 1>&- ，只要执行有stdout或stderr内容送往 monitor 的命令，如ls、date这类命令，均会报错：“ls: write error: Bad file descriptor”。其他如cd、mkdir、……这类命令不受影响。

3）. 如果 stdin, stdout, stderr 进行了重定向或关闭, 但没有保存原来的 FD, 可以将其恢复到 default 状态吗?
*** 如果关闭了stdin，因为会导致退出，那肯定不能恢复。
*** 如果重定向或关闭 stdout和stderr其中之一，可以恢复，因为他们默认均是送往monitor（但不知会否有其他影响）。如恢复重定向或关闭的stdout： exec 1>&2 ，恢复重定向或关闭的stderr：exec 2>&1。
*** 如果stdout和stderr全部都关闭了，又没有保存原来的FD，可以用：exec 1>/dev/tty 恢复。

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下面参考了 r2007 兄的回复！谨以致谢！
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8、 cmd >a 2>a 和 cmd >a 2>&1 为什么不同？
cmd >a 2>a ：stdout和stderr都直接送往文件 a ，a文件会被打开两遍，由此导致stdout和stderr互相覆盖。
cmd >a 2>&1 ：stdout直接送往文件a ，stderr是继承了FD1的管道之后，再被送往文件a 。a文件只被打开一遍，就是FD1将其打开。
我想：他们的不同点在于：
cmd >a 2>a 相当于使用了两个互相竞争使用文件a的管道；
而cmd >a 2>&1 只使用了一个管道，但在其源头已经包括了stdout和stderr。
从IO效率上来讲，cmd >a 2>&1的效率应该更高！