Потоки

В каждом языке есть собственный способ напечатать результат на экран:

javascript

console.log('hello!');

php

<?php

echo 'hello!';

python

print('hello!')

java

System.out.print("hello!");

ruby

puts 'hello!'

Несмотря на разнообразие языков и способов печати, с точки зрения операционной системы, которая запускает программу, все они работают абсолютно идентично. При старте любой программы операционная система связывает с ней три так называемых потока: STDIN (Standard Input), STDOUT (Standard Output) и STDERR (Standard Error). Для языка программирования они выглядят как файлы, и взаимодействие с ними происходит как с файлами. STDOUT как раз отвечает за вывод на экран. Каждый раз, когда в программе (на любом языке) происходит печать на экран, функция печати, на самом деле, записывает с помощью функции write данные в STDOUT, а вот уже операционная система решает куда вывести результат. По умолчанию вывод происходит на экран терминала.

Здесь нужно сказать, что хорошее понимание этой темы требует знания устройства операционных систем, в частности подсистемы, отвечающей за процессы и файловую систему. В двух словах, никакой язык программирования не может знать про существование экрана, а уж тем более не может с ним взаимодействовать. Ответственность за взаимодействие с железом целиком и полностью лежит на плечах операционной системы, а программы могут только лишь попросить операционную систему выполнить ту или иную задачу. При таком разделении реализация языков программирования сильно упрощается. Достаточно знать про существование STDOUT и уметь писать в него, а дальше всё сделает операционная система. Это значит, что программа, написанная на одном компьютере, без проблем запустится на другом с другой конфигурацией и монитором (или даже без монитора).

Самое удивительное начинается дальше. ОС позволяет подменять эти потоки при старте системы, что открывает интересные возможности. Например, вывод любой команды, запущенной в bash, можно записать в файл вместо вывода на экран.

$ ls -la > output

Запустив эту команду, вы увидите, что на экране ничего не отобразилось, но в текущей директории появился файл output.

$ cat output
total 44
drwxr-xr-x 5 kirill.m kirill.m 4096 Aug 29 09:39 .
drwxr-xr-x 8 root     root     4096 Apr 26 10:38 ..
-rw------- 1 kirill.m kirill.m 1822 Aug 29 08:45 .bash_history
-rw-r--r-- 1 kirill.m kirill.m  220 Aug 31  2015 .bash_logout
-rw-r--r-- 1 kirill.m kirill.m 3771 Aug 31  2015 .bashrc
drwx------ 2 kirill.m kirill.m 4096 Mar 30 18:10 .cache
-rw------- 1 kirill.m kirill.m   55 Aug 28 18:49 .lesshst
drwxrwxr-x 2 kirill.m kirill.m 4096 Aug 29 08:35 .nano
-rw-rw-r-- 1 kirill.m kirill.m    0 Aug 29 09:39 output
-rw-r--r-- 1 kirill.m kirill.m  655 May 16  2017 .profile
drwx------ 2 kirill.m kirill.m 4096 Jan 22  2018 .ssh
-rw------- 1 kirill.m kirill.m  513 Aug 29 08:06 .viminfo

Операция, которую мы сделали выше, называется перенаправление потоков. Символ > означает, что нужно взять вывод из команды, указанной слева, и отправить его в файл, указанный справа. > всегда перезаписывает файл. Такое перенаправление работает с абсолютно любой командой, которая выводит результаты своей работы на экран.

$ grep alias .bash_profile > result
$ cat result
alias fixssh='eval $(tmux showenv -s SSH_AUTH_SOCK)'

Если нужно не перезаписывать, а добавлять, то используйте >>.

Для экспериментов с выводом удобно использовать встроенную в шелл команду echo. Она принимает на вход строчку и выдаёт её в STDOUT, который уже можно перенаправлять.

# > перетирает файл
$ echo 'hello' > result
$ cat result
hello
$ echo 'hello' > result
$ cat result
hello
# >> добавляет содержимое в конец файла
$ echo 'hello' >> result
$ cat result
hello
hello
$

Кроме стандартного вывода, с каждым процессом ассоциируются два дополнительных потока: один STDIN (стандартный ввод) и STDERR (вывод ошибок). STDIN работает в обратную сторону: через него программа может получать данные на вход. В *nix-системах встроена утилита wc (word count — "количество слов"), которая умеет считать количество слов, строк или символов в файле. Когда мы говорим о файле, то в *nix это почти всегда означает, что данные можно передать и в стандартный поток ввода.

# Флаг l (l а не 1) говорит о том, что надо считать количество строк
$ wc -l < result
2

Выглядит довольно логично — стрелка меняет своё направление в другую сторону и содержимое файла отправляется в STDIN запускаемой программы wc. Теперь сделаем финт и объединим перенаправление ввода и вывода.

$ wc -l < result > output
$ cat output
$ 2

Кстати, таким же способом можно отправить вывод на печать, но оставлю эту возможность на самостоятельное изучение.

Последний вопрос связан с тем, зачем нужен поток STDERR. Он, как и STDOUT, по умолчанию идёт на экран. STDERR позволяет отделить нормальный вывод программы от возникающих ошибок. Такой подход удобен при ведении логов, для реагирования и отладки. Будьте осторожны, перенаправление вывода в файл перенаправляет только STDOUT. Убедиться в этом очень просто. Если попробовать перейти в несуществующую директорию, то команда cd выдаст ошибку:

$ cd lala
-bash: cd: lala: No such file or directory

Теперь попробуем перенаправить вывод в файл output

$ cd lala > output
-bash: cd: lala: No such file or directory

Перенаправление есть, но сообщение вывелось на экран. Это произошло именно по той причине, что STDERR остался привязан к экрану, а внутри файла output — пустота. Решить эту задачу можно двумя способами. Перенаправив STDERR в STDOUT, либо отправив их оба в файл.

Перенаправление STDERR в STDOUT

# Сначала STDERR перенаправляется в STDOUT, затем STDOUT в файл
$ cd lala > output 2>&1
$ cat output
-bash: cd: lala: No such file or directory

2 в данном случае обозначает номер потока. В POSIX за каждым потоком закреплён определённый номер, который является файловым дескриптором, если быть точным: STDIN — 0, STDOUT — 1, STDERR — 2. Конструкцию 2>&1 нужно просто запомнить, она говорит о том, что поток с номером 2 отправляем в поток с номером 1.

Перенаправление STDERR бывает полезно само по себе, без вывода в файл.

#  STDERR просто перенаправляется в другой поток (STDOUT)
$ cd lala 2>&1
-bash: cd: lala: No such file or directory

Перенаправление обоих потоков в файл

# Оба потока, STDERR и STDOUT, перенаправляются в файл
$ cd lala &> output
$ cat output
-bash: cd: lala: No such file or directory