Perl IO：IO重定向

文件句柄和文件描述符的關係

文件描述符是操做系統的資源，對於實體文件來講，每打開一次文件，操做系統都會爲該進程分配一個文件描述符來關聯(指向)這個文件，之後操做文件數據都根據這個文件描述符來操做，而不是文件名。就像對文件句柄的操做同樣。

實際上，文件句柄、文件描述符和實體文件的關係存在層次上的關係。文件句柄指向文件描述符，文件描述符指向實體文件結構。以下圖：

(圖注：fd是用戶空間的內容，圖中放在內核層是爲了歸納與之關聯的內核層的幾個結構：fd對應內核層的這幾個結構)

正如圖中所示，文件句柄是文件描述符的更上層封裝，文件句柄指向文件描述符，且多個文件句柄還能夠指向同一個文件描述符。一樣地，多個文件描述符能夠指向同一個實體文件。實際上，從文件到文件描述符，是採用引用計數的方式的，表示有多少個文件描述符還關聯在這個文件上。同理，文件描述符到文件句柄，也是使用引用計數方式的，表示有多少文件句柄指向這個文件描述符。

使用引用計數的特色之一就是只有引用數爲0以後才表示關閉/刪除/釋放行爲。例如，關閉文件句柄只是在文件描述符上引用數減一，而不是真的關閉文件描述符，直到文件描述符上的文件句柄引用數爲0以後，這個文件描述符纔會被關閉。同理，關閉文件描述符只是對文件結構的引用計數減1，直到這個文件結構的全部文件描述符都關閉了，才表示釋放這個文件結構。

由於文件句柄是文件描述符的上層封裝，因此文件句柄比文件描述符的功能多一些。實際上，從文件描述符到實體文件，中間的數據傳輸是純裸數據流，不會有緩衝行爲(固然，從操做系統的角度上看，有文件系統層的IO緩衝或操做系統層的緩衝，如page cache、buffer cache)。而文件句柄到文件描述符，中間有好幾個IO層次，例如編碼層(utf8)、換行符層(raw/crlf)、標準IO庫層(stdio/perlio)、最底層(unix)。以下圖：

(圖注：fd是用戶空間的內容，圖中放在內核層是爲了歸納與之關聯的內核層的幾個結構：fd對應內核層的這幾個結構。但page cache是內核空間的)

其中標準IO庫層用來提供IO buffer層，stdio是操做系統提供的標準IO庫，perlio是Perl提供的標準IO庫，在Perl中能夠選擇使用哪一種IO庫提供buffer。unix是perl io的最底層(就算是在win下也是unix層)，它幾乎等價於直接操做文件描述符，至關因而純裸數據，沒有IO buffer。

模塊PerlIO::Layers提供了Perl在文件描述符到文件句柄的IO層次上的一些檢測功能，例如檢測文件句柄是否已打開，是否設置了autoflush，是否使用緩衝等等。

另外，從文件句柄到文件描述符中間的IO Buffer中的數據，能夠經過perl IO::Handle->flush()來刷，flush時，io buffer中未讀數據被丟棄，未寫數據將寫入到文件描述符。從文件描述符到設備文件(如磁盤上的abc.log)中間的緩衝(如page cache)，能夠經過操做系統的fsync()系統調用或perl IO::Handle->sync()來刷盤。

文件句柄、文件描述符的duplicate

在bash shell中常常見到的>file 2>&1，它表示將標準錯誤、標準輸出都重定向到file文件中。這裏的過程是將標準輸入重定向到file文件，而後duplicate文件描述符fd=1獲得fd=2，使得fd=2也指向fd=1對應的文件(即file)，從而使得標準錯誤、標準輸出都輸出到file中。

除了重定向、文件描述符的duplicate，bash shell還支持文件描述符的手動打開(分配文件描述符)、移動、關閉。

Perl固然也支持相似的重定向和duplcate，並且不只支持文件描述符級別的，還支持更上層別文件句柄級，不管是duplicate文件句柄仍是duplicate文件描述符，都會生成新的文件描述符。另外，duplicate的對象是文件句柄時，不會將IO Buffer中的內容也duplicate，也就是說新的文件句柄中沒有緩衝任何數據。

在Perl中，能夠在open時在>、>>、<、+>、+>>、+<的後面加上符號&，這就表示文件句柄或文件描述符的duplicate。給文件句柄就是文件句柄的duplicate，給數值就是文件描述符的duplicate。open能夠是兩參數的或三參數的，三參數時，能夠是文件句柄、文件句柄的引用(即\*FILEHANDLE格式)，能夠是文件描述符數值。若是須要獲取文件句柄指向的文件描述符，可使用fileno FILEHANDLE函數來獲取。

例如，下面將STDOUT文件句柄duplicate一份獲得NEWOUT，使得NEWOUT也指向標準輸出，即向NEWOUT寫入數據時也會出如今屏幕上(默認)。

# 兩參數或三參數的文件句柄duplicate
open NEWOUT, ">&STDOUT";
open NEWOUT, ">&", "STDOUT";
open NEWOUT, ">&", "\*STDOUT";

# 三參數的文件描述符duplicate
open NEWOUT, ">&", fileno STDOUT;

按照上面的duplicate過程，結果以下圖：

(圖注：fd是用戶空間的內容，圖中放在內核層是爲了歸納與之關聯的內核層的幾個結構：fd對應內核層的這幾個結構)

在duplicate時，所選的模式必定要匹配源文件句柄的模式。例如STDOUT是可寫不可讀(write-only)的文件句柄，在duplicate STDOUT時，就必須只能選擇可寫不可讀的>&模式。duplicate後，新的文件句柄或文件描述符和源文件句柄/文件描述符的讀、寫模式是徹底同樣的。

下面是將STDOUT複製多份的示例：

#!/usr/bin/perl
#
use strict;
use warnings;
use 5.010;

open NEWOUT, ">&STDOUT" or die "duplicate1 failed: $!";
say NEWOUT "hello world1, fd=", fileno NEWOUT;

open NEWOUT1, ">&", "NEWOUT" or die "duplicate2 failed: $!";
say NEWOUT1 "hello world2, fd=", fileno NEWOUT1;

open NEWOUT2, ">&", "\*NEWOUT" or die "duplicate3 failed: $!";
say NEWOUT2 "hello world3, fd=", fileno NEWOUT2;

open NEWOUT3, ">&", fileno NEWOUT or die "duplicate4 failed: $!";
say NEWOUT3 "hello world4, fd=", fileno NEWOUT3;

close NEWOUT;
close NEWOUT1;
close NEWOUT2;
close NEWOUT3;

執行後輸出結果：

hello world1, fd=3
hello world2, fd=4
hello world3, fd=5
hello world4, fd=6

文件描述符重用：句柄別名

duplicate文件句柄或文件描述符時，都會自動新建一個新的文件描述符，並自動新建指向這個文件描述符的文件句柄。也就是說，只要duplicate一次，就至少有2個描述符，兩個句柄。

若是想要重用文件描述符，只新建文件句柄，Perl中可使用&=符號（<&=、>&=、>>&=、+<&=、+>&=、+>>&=），這表示建立一個文件句柄別名，使這個文件句柄也指向同一個文件描述符。也支持直接對文件描述符設置別名句柄，它會新建一個句柄指向這個文件描述符。

例如：

open(ALIAS, ">&=HANDLE");
open ALIAS, ">&=", fileno HANDLE;

這表示建立HANDLE句柄的一個別名，使得它兩指向同一個文件描述符。以下：

(圖注：fd是用戶空間的內容，圖中放在內核層是爲了歸納與之關聯的內核層的幾個結構：fd對應內核層的這幾個結構)

由於兩個句柄指向同一個文件描述符，因此這兩個文件句柄共享了這個文件描述符，包括這個描述符上的鎖。另外，從任一句柄更改描述符狀態，都會直接反映到另外一個文件句柄上，好比從一個文件句柄上加一把flock鎖，由於flock鎖是直接文件描述符上的，因此另外一個文件句柄別名也會持有這把鎖。

重定向

在bash中重定向很是的簡單，在Perl中重定向直接使用> < >> +> +>> +<便可，只不過open的第一個參數是一個已存在的文件句柄，其無非是將輸入自或輸出到的某個文件句柄/文件描述符的數據轉向另外一個方向。

例如，將輸出到標準輸出的數據重定向到某個文件中，就像使用select FILEHANDLE同樣。

open STDOUT, "> abc.log";
say "hello world";   # 將輸出到abc.log文件中

再例如輸入重定向，STDIN本該是從標準輸入中讀取數據的，可是如今改從一個文件中讀取數據。

open STDIN, "< abc.log";
while(<STDIN>){
    chomp;
    print "$_\n";
}

可是這樣使用重定向功能會有一個問題，STDOUT或STDIN或其它重定向句柄無法還原回原始的目標了。例如STDOUT本來是輸出到終端的，將其重定向到某個文件後就無法找回輸出到終端的方法了。因此，在程序中使用重定向時，常常會將重定向配合duplicate使用，在重定向以前，先將重定向句柄dup保存一份，而後重定向，重定向結束後再使用保存的句柄恢復回來。

例如：

# 1.dup。OLDOUT和STDOUT都將指向同一個底層文件結構：終端設備文件
open OLDOUT, ">&", STDOUT or die "duplicate failed: $!";

# 2.redirect。OLDOUT仍然指向終端設備文件，可是STDOUT指向新文件結構
open STDOUT, "> $newfile" or die "redirect failed: $!";

... do something to STDOUT ...

# 3.restore。經過dup的方式從OLDOUT恢復STDOUT
close STDOUT or die "close failed: $!";
open STDOUT, ">&", OLDOUT or die "duplicate failed: $!";

注意上面第三步中恢復以前，記得先關閉STDOUT，若是不關閉STDOUT，在第二步過程當中STDOUT中的緩衝不會flush。