Perl IO：IO重定向

文件句柄和文件描述符的关系

文件描述符是操作系统的资源，对于实体文件来说，每打开一次文件，操作系统都会为该进程分配一个文件描述符来关联(指向)这个文件，以后操作文件数据都根据这个文件描述符来操作，而不是文件名。就像对文件句柄的操作一样。

实际上，文件句柄、文件描述符和实体文件的关系存在层次上的关系。文件句柄指向文件描述符，文件描述符指向实体文件结构。如下图：

(图注：fd是用户空间的内容，图中放在内核层是为了概括与之关联的内核层的几个结构：fd对应内核层的这几个结构)

正如图中所示，文件句柄是文件描述符的更上层封装，文件句柄指向文件描述符，且多个文件句柄还可以指向同一个文件描述符。同样地，多个文件描述符可以指向同一个实体文件。实际上，从文件到文件描述符，是采用引用计数的方式的，表示有多少个文件描述符还关联在这个文件上。同理，文件描述符到文件句柄，也是使用引用计数方式的，表示有多少文件句柄指向这个文件描述符。

使用引用计数的特点之一就是只有引用数为0之后才表示关闭/删除/释放行为。例如，关闭文件句柄只是在文件描述符上引用数减一，而不是真的关闭文件描述符，直到文件描述符上的文件句柄引用数为0之后，这个文件描述符才会被关闭。同理，关闭文件描述符只是对文件结构的引用计数减1，直到这个文件结构的所有文件描述符都关闭了，才表示释放这个文件结构。

因为文件句柄是文件描述符的上层封装，所以文件句柄比文件描述符的功能多一些。实际上，从文件描述符到实体文件，中间的数据传输是纯裸数据流，不会有缓冲行为(当然，从操作系统的角度上看，有文件系统层的IO缓冲或操作系统层的缓冲，如page cache、buffer cache)。而文件句柄到文件描述符，中间有好几个IO层次，例如编码层(utf8)、换行符层(raw/crlf)、标准IO库层(stdio/perlio)、最底层(unix)。如下图：

(图注：fd是用户空间的内容，图中放在内核层是为了概括与之关联的内核层的几个结构：fd对应内核层的这几个结构。但page cache是内核空间的)

其中标准IO库层用来提供IO buffer层，stdio是操作系统提供的标准IO库，perlio是Perl提供的标准IO库，在Perl中可以选择使用哪种IO库提供buffer。unix是perl io的最底层(就算是在win下也是unix层)，它几乎等价于直接操作文件描述符，相当于是纯裸数据，没有IO buffer。

模块PerlIO::Layers提供了Perl在文件描述符到文件句柄的IO层次上的一些检测功能，例如检测文件句柄是否已打开，是否设置了autoflush，是否使用缓冲等等。

另外，从文件句柄到文件描述符中间的IO Buffer中的数据，可以通过perl IO::Handle->flush()来刷，flush时，io buffer中未读数据被丢弃，未写数据将写入到文件描述符。从文件描述符到设备文件(如磁盘上的abc.log)中间的缓冲(如page cache)，可以通过操作系统的fsync()系统调用或perl IO::Handle->sync()来刷盘。

文件句柄、文件描述符的duplicate

在bash shell中经常见到的>file 2>&1，它表示将标准错误、标准输出都重定向到file文件中。这里的过程是将标准输入重定向到file文件，然后duplicate文件描述符fd=1得到fd=2，使得fd=2也指向fd=1对应的文件(即file)，从而使得标准错误、标准输出都输出到file中。

除了重定向、文件描述符的duplicate，bash shell还支持文件描述符的手动打开(分配文件描述符)、移动、关闭。

Perl当然也支持类似的重定向和duplcate，而且不仅支持文件描述符级别的，还支持更上层别文件句柄级，无论是duplicate文件句柄还是duplicate文件描述符，都会生成新的文件描述符。另外，duplicate的对象是文件句柄时，不会将IO Buffer中的内容也duplicate，也就是说新的文件句柄中没有缓冲任何数据。

在Perl中，可以在open时在>、>>、<、+>、+>>、+<的后面加上符号&，这就表示文件句柄或文件描述符的duplicate。给文件句柄就是文件句柄的duplicate，给数值就是文件描述符的duplicate。open可以是两参数的或三参数的，三参数时，可以是文件句柄、文件句柄的引用(即\*FILEHANDLE格式)，可以是文件描述符数值。如果需要获取文件句柄指向的文件描述符，可以使用fileno FILEHANDLE函数来获取。

例如，下面将STDOUT文件句柄duplicate一份得到NEWOUT，使得NEWOUT也指向标准输出，即向NEWOUT写入数据时也会出现在屏幕上(默认)。

# 两参数或三参数的文件句柄duplicate
open NEWOUT, ">&STDOUT";
open NEWOUT, ">&", "STDOUT";
open NEWOUT, ">&", "\*STDOUT";

# 三参数的文件描述符duplicate
open NEWOUT, ">&", fileno STDOUT;

按照上面的duplicate过程，结果如下图：

(图注：fd是用户空间的内容，图中放在内核层是为了概括与之关联的内核层的几个结构：fd对应内核层的这几个结构)

在duplicate时，所选的模式一定要匹配源文件句柄的模式。例如STDOUT是可写不可读(write-only)的文件句柄，在duplicate STDOUT时，就必须只能选择可写不可读的>&模式。duplicate后，新的文件句柄或文件描述符和源文件句柄/文件描述符的读、写模式是完全一样的。

下面是将STDOUT复制多份的示例：

#!/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;

执行后输出结果：

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

文件描述符重用：句柄别名

duplicate文件句柄或文件描述符时，都会自动新建一个新的文件描述符，并自动新建指向这个文件描述符的文件句柄。也就是说，只要duplicate一次，就至少有2个描述符，两个句柄。

如果想要重用文件描述符，只新建文件句柄，Perl中可以使用&=符号（<&=、>&=、>>&=、+<&=、+>&=、+>>&=），这表示创建一个文件句柄别名，使这个文件句柄也指向同一个文件描述符。也支持直接对文件描述符设置别名句柄，它会新建一个句柄指向这个文件描述符。

例如：

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

这表示创建HANDLE句柄的一个别名，使得它两指向同一个文件描述符。如下：

(图注：fd是用户空间的内容，图中放在内核层是为了概括与之关联的内核层的几个结构：fd对应内核层的这几个结构)

因为两个句柄指向同一个文件描述符，所以这两个文件句柄共享了这个文件描述符，包括这个描述符上的锁。另外，从任一句柄更改描述符状态，都会直接反映到另一个文件句柄上，比如从一个文件句柄上加一把flock锁，因为flock锁是直接文件描述符上的，所以另一个文件句柄别名也会持有这把锁。

重定向

在bash中重定向非常的简单，在Perl中重定向直接使用> < >> +> +>> +<即可，只不过open的第一个参数是一个已存在的文件句柄，其无非是将输入自或输出到的某个文件句柄/文件描述符的数据转向另一个方向。

例如，将输出到标准输出的数据重定向到某个文件中，就像使用select FILEHANDLE一样。

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

再例如输入重定向，STDIN本该是从标准输入中读取数据的，但是现在改从一个文件中读取数据。

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

但是这样使用重定向功能会有一个问题，STDOUT或STDIN或其它重定向句柄没法还原回原始的目标了。例如STDOUT原本是输出到终端的，将其重定向到某个文件后就没法找回输出到终端的方法了。所以，在程序中使用重定向时，经常会将重定向配合duplicate使用，在重定向之前，先将重定向句柄dup保存一份，然后重定向，重定向结束后再使用保存的句柄恢复回来。

例如：

# 1.dup。OLDOUT和STDOUT都将指向同一个底层文件结构：终端设备文件
open OLDOUT, ">&", STDOUT or die "duplicate failed: $!";

# 2.redirect。OLDOUT仍然指向终端设备文件，但是STDOUT指向新文件结构
open STDOUT, "> $newfile" or die "redirect failed: $!";

... do something to STDOUT ...

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

注意上面第三步中恢复之前，记得先关闭STDOUT，如果不关闭STDOUT，在第二步过程中STDOUT中的缓冲不会flush。