惊！printf 不往屏幕输？都是 fd 在搞鬼！爆肝拆解 Linux 文件描述符 + 重定向底层，学会直接在终端横着走

💻作 者 简 介：曾 与 你 一 样 迷 茫，现 以 经 验 助 你 入 门 Linux。
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📚系 列 专 栏：Linux 探 索 之 旅：从 命 令 行 到 系 统 内 核
✨代 码 趣 语：当 0、1、2 先 占 满 文 件 描 述 符 的 “插 槽”，open 总 会 寻 着 最 小 的 空 缺 安 家 - - - 每 个 fd 的 数 字，都 是 进 程 与 文 件 牵 手 的 “门 牌 号 码”，藏 着 读 写 消 息 的 去 向。
💪代 码 千 行，始 于 坚 持，每 日 敲 码，进 阶 编 程 之 路。
📦gitee 链 接：gitee

         Linux 初 学 者 常 困 惑：会 用 > 重 定 向 却 不 懂 原 理，知 道 printf 输 出 却 不 明 其 与 “文 件” 的 关 联，对 0、1、2 文 件 描 述 符 更 是 茫 然。这 些 疑 问 的 核 心，正 是 “进 程 与 文 件 的 交 互 逻 辑” - - - 本 文 以 实 操 + 原 理 为 核 心，从 “文 件 = 内 容 + 属 性” 切 入，讲 清 C 库 / 系 统 调 用 用 法，拆 解 文 件 描 述 符 规 则 与 重 定 向 本 质，搭 配 代 码 截 图 帮 你 打 通 “命 令 - 代 码 - 内 核” 链 路。

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一、文 件

1、基 础 知 识

1. 文 件 = 内 容 + 属 性
2. 文 件 分 为 打 开 的 文 件 和 没 有 打 开 的 文 件。进 程 打 开 的 文 件，没 打 开 的 文 件 存 储 在 磁 盘 上，没 有 打 开 的 文 件 非 常 多。本 质 上 是 研 究 进 程 和 文 件 的 关 系，要 快 速 的 对 文 件 进 行 增 删 查 改。
3. 文 件 想 要 被 打 开 首 先 应 该 被 加 载 到 内 存。
4. 进 程 ：打 开 文 件 = 1:n，一 个 进 程 可 以 打 开 多 个 文 件。操 作 系 统 内 部 一 定 存 在 大 量 的 被 打 开 的 文 件。操 作 系 统 要 管 理 被 打 开 的 文 件，先 描 述，再 组 织。
5. 在 Linux 内 核 中，一 个 被 打 开 的 文 件 都 必 须 有 自 己 的 文 件 打 开 对 象，包 含 文 件 的 很 多 属 性。

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2、C 文 件 接 口

C 语 言 文 件 操 作

（1）代 码 示 例

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
int main()
{printf("pid:%d\n",getpid());//打开文件的路径和文件名,默认在当前路径下创建一个文件FILE* pf = fopen("test.txt","w");if(pf == NULL){perror("fopen fail");return 1;}fclose(pf);sleep(100);return 0;
}

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（2）当 前 路 径

         当 前 路 径 指 的 是 进 程 的 当 前 路 径 cwd，如 果 更 改 了 当 前 进 程 的 cwd，就 可 以 把 文 件 新 建 到 其 他 目 录。

         可 以 使 用 ll /proc/进 程 的 PID 来 查 看 进 程 的 当 前 路 径。

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chdir
更 改 进 程 的 工 作 目 录。

         在 上 面 的 代 码 中 添 加 chdir("/home/xpr/linux"); 可 以 更 改 进 程 的 路 径。

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（3）文 件 权 限

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（4）w

         将 字 符 写 入 文 件。如 果 没 有 文 件 则 会 创 建 文 件，如 果 文 件 有 内 容 则 会 清 空。

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fwrite
将 字 符 写 入 到 文 件 中。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{printf("pid:%d\n",getpid());//打开文件的路径和文件名,默认在当前路径下创建一个文件FILE* pf = fopen("test.txt","w");if(pf == NULL){perror("fopen fail");return 1;}const char* str = "hello linux";fwrite(str,strlen(str),1,pf);fclose(pf);return 0;
}

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         这 里 strlen 不 需 要 加 1 原 因 是 因 为 如 果 加 1 会 出 现 乱 码，如 下 图 所 示。字 符 串 以 \0 结 尾 是 C 语 言 的 规 定，和 文 件 没 有 关 系。

strlen + 1
strlen + 1 会 在 文 件 中 出 现 ^@，这 个 字 符 就 是 \0。

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echo 及 输 入 重 定 向
         类 似 的，echo 的 输 入 重 定 向 和 w 类 似，如 果 没 有 文 件 则 会 创 建，文 件 有 内 容 则 会 清 空。

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（5）a

         在 文 件 结 尾 追 加 字 符 串，如 果 没 有 文 件 则 会 创 建 文 件。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{printf("pid:%d\n",getpid());//打开文件的路径和文件名,默认在当前路径下创建一个文件FILE* pf = fopen("test.txt","a");if(pf == NULL){perror("fopen fail");return 1;}const char* str = "hello linux";fwrite(str,strlen(str)+1,1,pf);fclose(pf);return 0;
}

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echo 及 输 出 重 定 向

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（6）三 个 输 入 输 出 流

         所 有 的 语 言 在 启 动 时 默 认 都 会 打 开 对 应 的 设 备 文 件，原 因 是 因 为 电 脑 开 机 时 就 会 打 开 显 示 器 和 键 盘，编 写 代 码 时 使 用 键 盘 输 入，用 显 示 器 显 示。C 语 言 的 3 个 输 入 输 出 流。C 程 序 默 认 在 启 动 时 会 打 开 三 个 标 准 输 入 输 出 流（文 件）。
所 有 的 语 言 对 于 文 件 的 操 作 都 包 括 文 件 描 述 符 fd

stdin：键 盘
stdout：显 示 器 文 件
stderr：显 示 器 文 件

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3、分 开 显 示 stdout 和 stderr

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{fprintf(stdout,"hello normal message\n");fprintf(stdout,"hello normal message\n");fprintf(stdout,"hello normal message\n");fprintf(stdout,"hello normal message\n");fprintf(stderr,"hello error message\n");fprintf(stderr,"hello error message\n");fprintf(stderr,"hello error message\n");fprintf(stderr,"hello error message\n");return 0;
}

         重 定 向 以 后，向 1 里 面 写 入 的 内 容 都 会 写 入 normal.txt 文 件 中。只 对 1 重 定 向，没 有 对 2 重 定 向。

         1 可 以 省 略 不 写。stdout 和 stderr 可 以 重 定 向 到 1 个 文 件 中。
         ./mytest >err.txt 2>&1 先 表 示 把 1 号 文 件 描 述 符 的 内 容 写 入 err.txt 中，然 后 2>&1 表 示 把 2 号 文 件 描 述 符 中 的 内 容 写 入 1 号 文 件 描 述 符 中。

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fprintf
         将 字 符 写 入 文 件 或 使 用 流。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{printf("pid:%d\n",getpid());//打开文件的路径和文件名,默认在当前路径下创建一个文件FILE* pf = fopen("test.txt","a");if(pf == NULL){perror("fopen fail");return 1;}const char* str = "hello linux";fprintf(stdout,"%s,%d\n",str,1234);fclose(pf);return 0;
}

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4、基 础 知 识

         文 件 其 实 是 在 磁 盘 上 的，磁 盘 是 外 部 设 备，访 问 文 件 其 实 是 访 问 硬 件。操 作 系 统 是 硬 件 的 管 理 者。几 乎 所 有 的 库 只 要 是 访 问 硬 件 设 备，必 定 要 封 装 系 统 调 用。

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（1）open

         打 开 或 者 创 建 文 件 或 者 设 备，可 以 指 定 文 件 的 权 限，即 文 件 是 否 存 在。

flags

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{    umask(0); // 文件掩码int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);if(fd<0){printf("open fail\n");return 1;}return 0;
}

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（2）close

关 闭 文 件

文 件 描 述 符
file descriptor：文 件 描 述 符，是 int 类 型。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{    umask(0); // 文件掩码int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);if(fd<0){printf("open fail\n");return 1;}close(fd);return 0;
}

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（3）write

         向 文 件 中 写 入 文 件 描 述 符，返 回 值 是 实 际 写 入 的 字 节 数。默 认 从 文 件 的 开 始 处 写，不 会 对 文 件 清 空，让 新 增 加 的 字 符 替 换 掉 旧 的 字 符。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{    umask(0); // 文件掩码int fd = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);if(fd<0){printf("open fail\n");return 1;}const char* str = "hello world";write(fd,str,strlen(str));close(fd);return 0;
}

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（4）标 志 位 传 递 方 式

1 个 整 数 可 以 传 递 1 个 标 志 位。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#define ONE (1 << 0)  //1
#define TWO (1 << 1)  //2
#define THREE (1 << 2)//4
#define FOUR (1 << 3) //8
void show(int flags)
{if(flags&ONE){printf("hello function1\n");}if(flags&TWO){printf("hello function2\n");}if(flags&THREE){printf("hello function3\n");}if(flags&FOUR){printf("hello function4\n");}
}
int main()
{    show(ONE);printf("-----------\n");show(ONE|TWO);printf("-----------\n");show(ONE|TWO|THREE);printf("-----------\n");return 0;
}

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二、访 问 文 件 的 本 质

1、struct file

         操 作 系 统 内 描 述 一 个 被 打 开 文 件 的 信 息。

直 接 或 者 间 接 包 含 以 下 属 性：

1. 被 打 开 的 文 件 在 哪 个 位 置
2. 基 本 属 性、权 限、大 小、读 写 位 置、谁 打 开 的。
3. 文 件 的 内 核 缓 冲 区 信 息
4. struct file *next 指 针。

         对 文 件 的 操 作 改 为 对 双 向 链 表 的 增 删 查 改。

         一 个 进 程 可 以 打 开 多 个 文 件，要 建 立 进 程 PCB 和 打 开 文 件 的 关 系。

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2、FILE

         C 语 言 中 的 FILE 是 C 库 中 自 己 封 装 的 结 构 体，里 面 包 含 文 件 描 述 符。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{   printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);return 0;
}

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3、close(1)

printf
         可 以 使 用 close(1); 关 闭 显 示 器 使 printf 无 法 显 示 在 显 示 屏 上。说 明 printf 的 底 层 使 用 了 1 号 文 件 描 述 符。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{  close(1);printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);return 0;
}

fprintf

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{  close(1);int ret = printf("stdin->fd:%d\n",stdin->_fileno);printf("stdout->fd:%d\n",stdout->_fileno);printf("stderr->fd:%d\n",stderr->_fileno);fprintf(stderr,"printf ret:%d\n",ret);return 0;
}

         如 果 关 闭 了 1 号 文 件 描 述 符，使 用 2 号 文 件 描 述 符 也 可 以 在 显 示 器 上 输 出。

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4、fd

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{    umask(0); // 文件掩码int fd1 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);int fd2 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);int fd3 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);int fd4 = open("log.txt",O_WRONLY|O_CREAT,0666);printf("fd1:%d\n",fd1);printf("fd2:%d\n",fd2);printf("fd3:%d\n",fd3);printf("fd4:%d\n",fd4);close(fd1);close(fd2);close(fd3);close(fd4);return 0;
}

         返 回 的 整 数 值 都 是 数 组 的 下 标 且 都 是 整 数，返 回 的 整 数 值 都 是 从 3 开 始 的。0 是 stdin（键 盘 文 件），1 是 stdout（显 示 器 文 件），2 是 stderr（显 示 器 文 件）。

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验 证

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{   const char* str = "hello linux";write(1,str,strlen(str));write(2,str,strlen(str));return 0;
}

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5、read

         从 文 件 描 述 符 中 读 取。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main()
{   char buf[100];ssize_t count = read(0,buf,sizeof(buf));if(count < 0){return 1;}buf[count] = '\0';printf("%s\n",buf);return 0;
}

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6、引 用 计 数 与 关 闭 文 件

引 用 计 数
         关 闭 文 件 时，使 用 close 时，对 1 号 描 述 符 的 引 用 计 数 减 1，然 后 将 1 号 指 针 位 置 置 空 即 可，然 后 判 断 引 用 计 数 是 否 为 0，如 果 为 0，则 说 明 没 有 文 件 被 使 用，系 统 会 回 收 struct 对 象。如 果 不 为 0，则 说 明 还 有 文 件 被 使 用。

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三、重 定 向

1、文 件 描 述 符 的 分 配 规 则

（1）原 版 代 码

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0666);if(fd < 0){perror("open fail");return 1;}printf("fd:%d\n",fd);const char* str = "hello world\n";int cnt = 5;while(cnt){write(fd,str,strlen(str));cnt--;}close(fd);return 0;
}

         此 时 文 件 描 述 符 为 3，log.txt 所 对 应 的 文 件 权 限 为 664。

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（2）close(0)

在 代 码 最 前 面 添 加 close(0)，输 出 的 文 件 描 述 符 为 0。

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（3）close(1)

在 代 码 最 前 面 添 加 close(1)

         因 为 printf 的 底 层 使 用 了 stdout，stdout 的 文 件 描 述 符 为 1，这 里 将 1 关 闭，无 法 在 显 示 器 上 输 出。

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（4）close(2)

在 代 码 最 前 面 添 加 close(2)

关 闭 2 号 文 件 描 述 符 后，输 出 的 文 件 描 述 符 为 2。

（5）总 结

         关 闭 几 号 文 件 描 述 符，文 件 描 述 符 就 输 出 几 号，说 明 文 件 描 述 符 对 应 的 分 配 规 则 是 从 0 下 标 开 始，寻 找 最 小 的 没 有 使 用 的 数 组 位 置，它 的 下 标 就 是 新 文 件 的 文 件 描 述 符。

2、重 定 向 的 原 理

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  close(1);int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0666);if(fd < 0){perror("open fail");return 1;}const char* str = "hello world\n";int cnt = 5;while(cnt){write(1,str,strlen(str));cnt--;}close(fd);return 0;
}

         关 闭 1 号 文 件 描 述 符 后，结 果 没 有 在 显 示 器 中 显 示，却 写 入 了 文 件 中。

         关 闭 1 号 文 件 描 述 符 后，此 时 打 开 文 件，文 件 原 来 应 该 指 向 3 号 文 件 描 述 符，现 在 被 改 成 了 1 号 文 件 描 述 符，此 时 发 生 了 输 入 重 定 向。
         重 定 向 的 本 质 是 对 数 组 下 标 的 内 容 进 行 了 修 改。如 果 想 要 发 生 重 定 向 需 要 将 原 来 文 件 描 述 符 中 的 内 容 关 闭 或 者 覆 盖 掉 即可。

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3、dup2

         拷 贝 文 件 描 述 符 的 指 针 内 容，将 新 的 文 件 描 述 符 的 内 容 拷 贝 给 旧 的 文 件 描 述 符，然 后 关 闭 新 的 文 件 描 述 符。

4、输 入 重 定 向

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,0666);if(fd < 0){perror("open fail");return 1;}//重定向dup2(fd,1);close(fd);const char* str = "hello world\n";int cnt = 5;while(cnt){write(1,str,strlen(str));cnt--;}close(fd);return 0;
}

         原 来 1 号 文 件 描 述 符 可 以 将 内 容 输 出 到 显 示 器 中，重 定 向 以 后 显 示 器 无 法 输 出 内 容，输 出 的 是 文 件 的 内 容。

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5、追 加 重 定 向

将 write 中 的 O_TRUNC 改 成 O_APPEND 即 可 实 现 追 加 重 定 向。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND,0666);if(fd < 0){perror("open fail");return 1;}//重定向dup2(fd,1);close(fd);const char* str = "hello world\n";int cnt = 5;while(cnt){write(1,str,strlen(str));cnt--;}close(fd);return 0;
}

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6、输 入 重 定 向

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{int fd = open(filename,O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open");return 1;}dup2(fd,0);//从标准输入读取改为从文件中读取char buf[1024];ssize_t s = read(0,buf,sizeof(buf)-1);if(s>0){buf[s]='\0';printf("echo:%s\n",buf);}return 0;
}

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cat 的 输 入 重 定 向
从 文 件 中 读 取 改 为 从 键 盘 中 读 取。

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7、printf 与 fprintf

         printf 和 fprintf 用 的 都 是 stdin，可 以 修 改 文 件 描 述 符，改 变 输 出 的 位 置。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define filename "log.txt"
int main()
{  int fd = open(filename,O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND,0666);if(fd < 0){perror("open fail");return 1;}//重定向dup2(fd,1);printf("fd:%d\n",fd);printf("hello printf\n");fprintf(stdout,"hello fprintf\n");close(fd);return 0;
}

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如 何 理 解 “linux 中 一 切 皆 文 件”
         所 有 操 作 计 算 机 的 动 作 都 是 以 进 程 的 形 式 操 作 的，所 有 访 问 文 件 的 操 作 都 是 用 进 程 的 方 式 访 问 文 件 的。

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四、总 结

         本 文 已 帮 你 掌 握 Linux 文 件 操 作 核 心：文 件 定 义、文 件 描 述 符、重 定 向 本 质，及 C 库 与 系 统 调 用 的 关 系，也 理 解 了 “一 切 皆 文 件” 的 设 计。这 些 知 识 是 后 续 进 程 通 信、网 络 编 程 的 基 础。建 议 动 手 修 改 代 码 加 深 理 解，关 注 专 栏 Linux 探 索 之 旅：从 命 令 行 到 系 统 内 核，后 续 将 解 锁 更 多 进 阶 内 容，帮 你 搭 建 系 统 编 程 知 识 体 系。