什麼是 Linux I/O 標準輸入輸出和管線 ? 超詳細範例說明與教學

嗨！今天我們要探討一個在 Linux 中非常重要的主題 – Linux I/O 標準輸入輸出和管線。如果你對 Linux 有一些基本的了解，那麼你肯定聽過這些詞語。本文將帶你深入瞭解它們的意義以及如何在日常使用中受益於它們。

什麼是 Linux I/O？

Linux I/O 是指在 Linux 系統中進行輸入和輸出操作的方法和工具。這些操作可以包括讀取和寫入文件、訪問設備，以及與用戶進行互動。其中，標準輸入和標準輸出是基本的 I/O 流程。

深入理解 Linux I/O

在我們深入探討之前，讓我們先確定我們所談論的是什麼：

• 標準輸入（stdin，代碼為 0）：這代表程式運行所需的輸入資料。通常，這些資料來自鍵盤輸入，即我們使用鍵盤向程式提供輸入。
• 標準輸出（stdout，代碼為 1）：這代表程式正常運行所產生的輸出資料。當你運行一個命令，這些結果通常會顯示在終端屏幕上，並且被視為標準輸出。
• 標準錯誤輸出（stderr，代碼為 2）：這代表當程式出錯時，用於通知使用者的訊息，或者用於呈現程式狀態的訊息。通常，這些錯誤訊息也會顯示在終端上，並被視為標準錯誤輸出。

+-------------------------+       +-------------------------+      +-------------------------+
|  鍵盤（Input）           | --->  |  程式（stdin，代碼 0）   | ---> |  終端（Output）          |
+-------------------------+       +-------------------------+      +-------------------------+
    標準輸入 (stdin)                     程式的輸入資料                     標準輸出 (stdout)
                                              ↓
                                   +-------------------------+
                                   |  程式（stderr，代碼 2）  |
                                   +-------------------------+
                                         程式的錯誤訊息

標準輸入（stdin，代碼為 0）

標準輸入代表程式運行所需的輸入資料。通常，這些資料來自鍵盤輸入。讓我們看一個例子：

舉例： 假設你有一個名為 my_program 的程式，它需要用戶輸入一個數字，然後進行計算。這個程式可能如下運行：

$ ./my_program
請輸入一個數字：10
計算結果：20

在這個例子中，用戶通過鍵盤輸入了數字 10，作為標準輸入提供給了 my_program，程式接收到這個輸入並進行計算。

標準輸出（stdout，代碼為 1）

標準輸出代表程式正常運行所產生的輸出資料。當你運行一個命令，這些結果通常會顯示在終端屏幕上。讓我們看一個例子：

舉例： 假設你使用 ls 命令列出目錄中的文件，輸出如下：

$ ls
file1.txt  file2.txt  file3.txt

在這個例子中，ls 命令的輸出顯示在終端屏幕上，這是標準輸出的典型示例。

標準錯誤輸出（stderr，代碼為 2）

標準錯誤輸出代表當程式出錯時通知使用者的訊息，或者用於呈現程式狀態的訊息。通常，這些錯誤訊息也會顯示在終端上。讓我們看一個例子：

舉例： 假設你嘗試打開一個不存在的文件：

$ cat non_existent_file.txt
cat: non_existent_file.txt: No such file or directory

在這個例子中，cat 命令嘗試打開一個不存在的文件，並生成了錯誤訊息，該訊息顯示在終端上，這是標準錯誤輸出的示例。

以上是對標準輸入、標準輸出和標準錯誤輸出的說明和示例。這些流是 Linux 中重要的 I/O 概念，對於理解和使用命令和程序非常重要。

使用 I/O 重定向

有時候，我們希望將輸入和輸出重定向到文件，這就是 I/O 重定向派上用場的時候。使用 < 來重定向輸入，使用 > 來重定向輸出。例如，要將命令的輸出保存到文件中，你可以使用以下命令：

標準輸入（stdin，代碼為 0）

標準輸入重定向允許將外部文件的內容作為程序的輸入，而不是依賴用戶的鍵盤輸入。這在處理大量數據或自動化任務時非常有用。

舉例： 假設你有一個文件 input.txt 包含以下內容：

這是文件的內容。
它將被用作標準輸入。

現在，你可以使用以下命令將 input.txt 的內容重定向為程序的標準輸入：

$ ./my_program < input.txt

這樣，my_program 將使用 input.txt 中的內容作為其標準輸入。

標準輸出（stdout，代碼為 1）

標準輸出重定向允許將程序的輸出保存到文件中，而不是顯示在終端屏幕上。這對於捕獲命令的輸出或生成日誌非常有用。

舉例： 假設你運行以下命令來列出目錄中的文件：

$ ls file1.txt file2.txt file3.txt

現在，你可以使用以下命令將 ls 命令的輸出保存到文件 output.txt 中：

$ ls > output.txt

這樣，ls 命令的輸出將不再顯示在終端屏幕上，而是保存在 output.txt 文件中。當執行此指令時，如果 output.txt 不存在，系統會自動建立此檔案，並將 ls 指令的輸出寫入其中。但如果 output.txt 已經存在，系統會先清空該檔案的內容，然後再將 ls 的輸出寫入其中。因此，如果 output.txt 檔案中原本存在舊資料，這些資料將會被全部清除。

如果想要以附加的方式把程式的輸出放在原本的檔案內容之後，可以使用 >>，其用法也是非常類似

$ ls >> output.txt

這樣，他就會在 output.txt 檔案中，於原本的 ls 輸出之後，再加上一行。

標準錯誤輸出（stderr，代碼為 2）

標準錯誤輸出重定向允許將程序的錯誤訊息保存到文件中，而不是混合在標準輸出中。這有助於更好地處理錯誤情況。

舉例： 假設你嘗試打開一個不存在的文件：

$ cat non_existent_file.txt
cat: non_existent_file.txt: No such file or directory

現在，你可以使用以下命令將 cat 命令的錯誤訊息保存到文件 error.log 中：

$ cat non_existent_file.txt 2> error.log

這樣，錯誤訊息將不再顯示在終端屏幕上，而是保存在 error.log 文件中。

2>&1：這個操作符用於將標準錯誤輸出重定向到標準輸出。這樣可以將錯誤訊息和標準輸出一起顯示在終端上，或將它們一起重定向到文件。

舉例：以下命令將 ls 命令的標準輸出和錯誤輸出都保存到 error.log 文件中

$ cat non_existent_file.txt > error.log 2>&1

以上是有關使用 I/O 重定向的說明和示例，以及它如何影響標準輸入、標準輸出和標準錯誤輸出的操作。

管線操作：將命令串在一起

管線操作（|）是一種強大的技巧，它允許你將多個命令連接在一起，以實現更複雜的操作。例如，你可以使用管線將一個命令的輸出作為另一個命令的輸入。以下是一個簡單的示例：

舉例 1：過濾錯誤訊息

有時你可能只想查看錯誤訊息，而不關心標準輸出。你可以使用管線操作過濾出錯誤訊息，將其顯示在終端上：

$ my_command 2>&1 | grep "error"

在這個例子中，2>&1 將標準錯誤輸出合併到標準輸出，然後使用 grep 命令過濾包含 “error” 的行，並將它們顯示在終端上。

舉例 2：將錯誤訊息記錄到文件

假設你運行一個可能會生成錯誤訊息的命令，你可以使用管線操作將錯誤訊息重定向到一個文件中，同時將標準輸出顯示在終端上：

$ my_command 2> error.log | tee output.log

在這個例子中，2> 將標準錯誤輸出重定向到 error.log 文件，而 tee 命令將標準輸出複製到 output.log 文件，並顯示在終端上。這樣，你可以同時檢查錯誤訊息和標準輸出。

Linux I/O 標準輸入輸出和管線是 Linux 使用中不可或缺的一部分。通過深入理解它們，你可以更有效地使用 Linux，執行各種任務

Linux I/O 特殊檔案的進階用法

/dev/null

• 用途：/dev/null 被稱為空設備，它接受一切輸入，但將其丟棄。這個檔案通常用於丟棄不需要的輸出或輸入。
• 範例：假設你想要運行一個命令，但不關心其輸出，你可以使用 /dev/null 將其輸出丟棄，在寫 crontab 時特別好用

/path/to/script.sh > /dev/null 2>&1

/dev/zero

• 用途：/dev/zero 是一個無窮的資源，它產生連續的 NUL 字節（二進制值 0）。這個檔案通常用於創建空白文件或測試寫入操作。
• 範例：假設你想要創建一個 1MB 的空白文件，你可以使用 /dev/zero：

$ dd if=/dev/zero of=blank_file bs=1M count=1

/dev/random 與 /dev/urandom

• 用途：/dev/random 和 /dev/urandom 提供隨機數生成。/dev/random 提供高品質的隨機數，但可能阻塞。/dev/urandom 則不會阻塞，缺點就是資料沒有那麼隨機 (可能會重複)。
• 範例：這個命令將從 /dev/random 讀取 12 個字節的高品質隨機數據，然後將其轉換為 Base64 格式，生成一個安全密碼。但要注意，這個命令可能會阻塞，直到有足夠的隨機性可用。

$ dd if=/dev/random bs=1 count=12 | base64

/dev/full

• 用途：/dev/full 代表一個已滿的設備。如果你向它寫入數據，它將永遠不會返回，並且將無限期地阻塞。
• 範例：這個檔案通常用於測試處理設備已滿的情況。例如，以下命令將永遠阻塞，因為 /dev/full 已滿，無法再寫入數據

$ cat large_file > /dev/full

• 中文參考資料：
  1. Linux I/O 輸入與輸出重新導向，基礎概念教學
  2. 深入理解Linux I-O 系統
• 英文參考資料：
  1. Understanding stdin, stderr and stdout in Linux

延伸閱讀：如何在 Linux 中設定防火牆 ? CentOS firewall-cmd 設定防火牆規則與 firewall zones 教學

延伸閱讀：如何快速在Linux中開機自動化？5分鐘使用教學 /etc/rc.local