[原创] 批处理技术内幕：重定向与句柄

Demon

标题: 批处理技术内幕：重定向与句柄
作者: Demon
链接: http://demon.tw/reverse/cmd-internal-redirect.html
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虽然很多人在批处理中经常用到重定向操作符和句柄，但是能理解重定向与句柄高级用法的寥寥无几，知道重定向与句柄内部实现的更是凤毛麟角。

按照惯例，先从简单的说起：

    >blog.txt echo http://demon.tw

重定向输出操作符>的默认句柄为1，即标准输出（STDOUT），该代码将句柄1的输出重定向到blog.txt文件。

严格的说，句柄这个说法并不准确，正确的称呼应该是文件描述符（file descriptor），但是鉴于帮助文档ntcmds.chm里面用的也是句柄（handle）这个概念，并且一个文件描述符对应于一个文件句柄，所以本文沿用句柄这个说法。

在进行重定向时，CMD会先调用_get_osfhandle函数获取文件描述符对应的文件句柄。



如果_get_osfhandle函数的返回值不是-1，即该文件描述符存在对应的文件句柄，则调用_dup函数为该文件描述符所代表的文件创建一个新的文件描述符。



_dup函数返回的是下一个可以使用的文件描述符，由于标准输入（STDIN）、标准输出（STDOUT）、标准错误（STDERR）已经使用了0、1、2文件描述符，所以不出意外的话，_dup函数应该返回3，这时3和1都代表了标准输出。这就是那些批处理教程中的所谓的“句柄备份”。

“备份”完句柄之后，CMD会调用_close函数将原来的文件句柄（描述符）关闭。



关闭之后调用CreateFile函数打开重定向操作符后的文件，这里是blog.txt，因为是重定向输出，所以以只读模式（GENERIC_WRITE）打开。



成功打开文件之后，又调用_open_osfhandle函数将CreateFile函数返回的文件句柄转成文件描述符。



因为刚才已经把1给关闭了，所以不出意外的话，_open_osfhanle返回的应该也是1，即句柄（描述符）1指向了blog.txt文件，而不是原来的STDOUT。

到这里为止重定向已经设置好了，剩下的工作就交给echo来处理。echo命令会先判断句柄1是否指向控制台（Console），这里显然不是，所以echo命令调用_os_getfhandle函数来获取句柄1所对应的文件句柄，然后调用WriteFile函数来把http://demon.tw写入blog.txt文件。（这部分不是本文的重点，就不截图了，详见《批处理技术内幕：Unicode》。

命令运行完之后，就要恢复重定向的设置，刚才已经把句柄1“备份”到了句柄3，所以CMD调用_dup2函数将句柄1指向句柄3。这就是批处理教程中所谓的“句柄取回”。



从句柄3中取回之后，句柄3就没用了，于是调用_close函数关闭之。

上面的过程用C代码简单的模拟一下，大概是这样（非常简略的代码，CMD的实现要复杂得多）：

    #include <io.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <stdio.h>
    #include <windows.h>

    int main()
    {
        int fd;
        HANDLE hFile;
        char buf[] = "http://demon.tw";
        DWORD cb;

        /* 重定向句柄1到blog.txt */
        fd = _dup(1);
        _close(1);
        hFile = CreateFileW(L"blog.txt", GENERIC_WRITE, FILE_SHARE_READ,
            NULL, CREATE_ALWAYS, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);
        _open_osfhandle((long)hFile, _O_WRONLY);

        /* echo命令 */
        WriteFile((HANDLE)_get_osfhandle(1), buf, sizeof(buf) - 1, &cb, NULL);

        /* 重置重定向 */
        _dup2(fd, 1);
        _close(fd);

        return 0;
    }

重定向输入<与追加模式的重定向输出>>跟上面差不多，只不过重定向输入>的话文件是以只读模式（GENERIC_READ）打开的，而>>在打开文件后还要调用SetFilePointer将文件指针指向文件的末尾。

再简单说说>&和<&，帮助文档里的描述让人摸不着头脑：<&从后一个句柄读取输入并写入到前一个句柄输出中；>&将前一个句柄的输出写成后一个句柄的输入。其实除了默认的句柄不同之外，>&和<&是完全一样的，也就是说2>&1和2<&1的效果相同，都是复制句柄1到句柄2，或者说句柄2指向句柄1所指向的文件。

这样说还是有些拗口，让我们看看CMD内部是如何实现的吧。

    cd _ 1>error.txt 2>&1

1>error.txt和上面的例子一样，都不多说了，只讲2>&1的部分，先_dup(2)得到一个新的文件描述符4（因为重定向1>error.txt时占用了3），然后_close(2)，到这里为止跟上面也是一样的。

在CMD内部，>&或者<&并不会被当成新的重定向操作符，2>&1中的重定向操作符仍然是>，&1会被认为的重定向到的文件，只不过当文件的第一个字符为&的时候CMD会特别处理罢了。这时CMD会调用dup2函数，第一个参数为>&（或者<&）后面的数字，第二个参数为>&（或者<&）前面的数字（如果没有则使用操作符默认的句柄，>为1，<为0）。



也就是句柄2现在指向了句柄1的文件，或者说句柄2复制了句柄1，怎么好理解就怎么理解吧，反正句柄2和句柄1现在是同一个东西。

运用重定向与句柄的高级技巧，可以实现一些有用的功能，比如说防止批处理重复运行：

    @echo off 2>con 3>&2 4>>%0
    echo single instance batch
    echo http://demon.tw
    pause

powerbat

命令行程序输出我发现至少有四个函数：
printf/fprintf系列, _cprintf, WriteFile, WriteConsole
能否用某种方式将这些函数的输出统一重定向？
很久以前玩过一阵子，发现它们的内部实现原理各不相同，要达到所谓的重定向，需要找到文件描述符与控制台缓冲区的映射关系，最后因个人的windows技术功底太差，且工作与windows平台无关、精力有限，而浅尝辄止，希望大神帮忙解惑。

plp626

都在这里。。。
http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms682055(v=vs.85).aspx

plp626

回复 2# powerbat


    printf/fprintf
外行不懂，但也来参与下；

linux下； c语言的标准io函数实现 是read， write系统调用；这个用strace 一下就可列出来；重定向用的是dup，dup2系统调用，

按照这个类别下，C语言这些io函数，在windows下实现 调用的应该就是 ReadFile/WriteFile;
重定向应该也是和dup这类函数相关的api

只是不知windows下有什么命令像linux下的strace，直接列出程序运行中调用的“api” 流程。。来列出这些底层的具体api验证下。。

plp626

网上找来一篇printf函数的分析；ReadFile 这样的api看来是很上层的；

http://forum.eviloctal.com/thread-40509-1-1.html

Demon

命令行程序输出我发现至少有四个函数：
printf/fprintf系列, _cprintf, WriteFile, WriteConsole
能否用某 ...
powerbat 发表于 2012-8-26 19:26

大神不敢当，我也只是略知一二，没有深入研究过。

小勇12

回复 2# powerbat
这个是可以实现的吧，上次我们就用linux 驱动编程，拦截了系统的所有写入某目录下的日志文件
http://bbs.chinaunix.net/forum.php?mod=viewthread&tid=1942355 （别人的例子）