標準串流

在Unix和類Unix系統中，如同某些程式語言介面一樣，標準串流是當一個電腦程式執行時，在它和它的環境間（典型為終端），事先連接的輸入和輸出頻道。這三個I/O連結稱作「標準輸入」、「標準輸出」和「標準錯誤輸出」。

## 背景

在Unix之前的作業系統，程式必須明確指出連結到合適的輸入和輸出資料。對這當中的許多系統而言，這牽涉一些錯綜複雜而又與特定作業系統相關的事，是一件嚇人的程式設計挑戰。如控制環境設定、存取一個檔案表格、決定區域資料集、和決定讀卡機、磁帶、磁碟、列印機、打卡機或互動式終端機。

Unix 提供許多開創產的進步，其中之一是提供 抽象設備：它免除了程式須要知道或在意它正與哪個設備溝通。Unix 藉由資料串流的概念來消除這種複雜：一種資料位元組的有序序列，直到讀到檔案結尾。程式員亦可依需求寫入而無須宣告寫入多少或如何組織。

另一個 Unix 突破為預設自動連結輸入和輸出－程式（和程式設計師）不用為了典型輸入－處理－輸出程式建立輸入和輸出。相對地，之前作業系統通常要求一些－有時複雜－工作控制語言（Job Control Language）以建立連結，或者，相者近似於協調的責任。

既然 Unix 提供標準串流，Unix C 的執行環境被要求要支援它。結果不管什麼作業系統， C 的執行環境（及 C 的衍生）都提供類似功能。

## 標準輸入 (stdin)

標準輸入是指輸入至程式的資料（通常是文件）。程式要求以讀(read)操作來傳輸資料。並非所有程式都要求輸入。如dir或ls程式（顯示一個目錄中的檔名）運行時不用任何輸入。

除非重導向，輸入是預期由 鍵盤取得的。

標準輸入的檔案描述子為 0。在POSIX 的定義是 STDIN_FILENO；相對應的 變數為 FILE* stdin；類似地，變數為 std::cin。

## 標準輸出 (stdout)

標準輸出是指程式寫輸出資料的串流。程式要求資料傳輸使用寫的運算。並非所有程式都要求輸出。如mv或ren程式在成功完成時是沈默的。

除非重導向，輸出為 終端。

標準輸出的檔案描述子為 1。POSIX 定義是 STDOUT_FILENO；相對應的 變數為 FILE* stdout；類似地，變數為 std::cout。

## 標準錯誤輸出 (stderr)

標準錯誤輸出是另一輸出串流，用於輸出錯誤訊息或診斷。它獨立於標準輸出，且可以分別被重導。常見的目的則為啟始這個程式的終端，即使其標準輸出被重導亦如此。例如：一個管線中的程式的輸出被重導到下一個程式，但錯誤訊息仍然直接流向文字終端機。

把標準輸出和標準錯誤輸出導到相同的目的地，如文字終端，是可以（且正常）的。訊息會以如同程式寫入的順序來出現，除非使用了緩衝。（例如，一個常見狀況是，當標準錯誤串流未使用緩衝，但標準輸出串流使用了緩衝；在這種情況下，如果標準輸出的緩衝區還沒滿的話，較遲寫到標準錯誤的文字可能會較早出現在終端。

標準錯誤輸出的檔案描述子為 2；POSIX 定義為 STDERR_FILENO；相對的 變數 FILE* stderr。C++ 標準表頭檔提供兩個相關的變數： std::cerr 和 std::clog，前者用於無緩衝的而後者使用和其它 C++ 串流相同的緩衝機制。

大部分殼程式允許使用

```
 &gt;&amp; filename
```

將標準輸出和標準錯誤輸出重導向到相同的檔案。

Bourne-類殼程式允許使用

```
   2&gt;&amp;1
```

將標準錯誤輸出重導向到標準輸出的目的。

## 年表

### 1950 年代: Fortran

Fortran 提供類於 Unix 檔案描述子：`UNIT=5` 用於 stdin、 `UNIT=6` 用於 stdout 和 `UNIT=0` 用於 stderr。

```fortran

 FORTRAN 77 example
      PROGRAM MAIN
      READ(UNIT=5,*)NUMBER
      WRITE(UNIT=6,'(F5.3)')' NUMBER IS: ',NUMBER
      END
```

### 1960: ALGOL 60

ALGOL 60因沒有標準檔案存取而受批評。

### 1968: ALGOL 68

ALGOL 68 的輸入和輸出機制合起來稱為 transput。Cornelis H. A. Koster coordinated the definition of the transput standard. 這標準包含：`stand in`、`stand out`、`stand error`和`stand back`。

範例：

```algol68
# ALGOL 68 example #
main:(
REAL number;
getf(stand in,($g$,number));
printf(($"Number is: "g(6,4)"OR "$,number)); # OR #
putf(stand out,($" Number is: "g(6,4)"!"$,number));
newline(stand out)
)
```

輸入:｜輸出:

`3.14159`｜`Number is: +3.142 OR Number is: +3.142!`

### 1970 年代: C 和 Unix

在 C語言 中，標準輸入、標準輸出和標準錯誤輸出分別連接到已存的 Unix 檔案描述子 0、1 和 2。

### 1995: Java

在Java中，標準串流被稱為 System.in（標準輸入）、System.out（標準輸出）和 System.err（標準錯誤）。

```java
public static void main(String args[]) {
    try {
        BufferedReader br = 
          new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        String s = br.readLine();
        double number = Double.parseDouble(s);
        System.out.println("Number is:" + number);
    } catch (Exception e) {
        System.err.println("Error:" + e.getMessage());
    }
}
```

### 2000s: .NET

在 C# 和其它 .NET 語言中，標準串流為 `System.Console.In` （標準輸入）、`System.Console.Out` （標準輸出）和`System.Console.Error` （標準錯誤）。stdin 和 stdout 的基本讀寫能力可以直接透過 `System.Console` 來存取（如 `System.Console.WriteLine()` 可以取代 `System.Console.Out.WriteLine()`）。

注意， `System.Console.In`、`System.Console.Out` 和 `System.Console.Error` 是 `System.IO.TextReader` (stdin) 和 `System.IO.TextWriter` (stdout、stderr) 的對象，只允許存取底層基於文件的標準串流。存取二位元標準串流要分別經由 `System.Console.OpenStandardInput()`，`System.Console.OpenStandardOutput()` 和 `System.Console.OpenStandardError()` 所傳回的`System.IO.Stream`。

```csharp
// C# example
public static int Main(string[] args)
{
    try {
        string s = System.Console.In.ReadLine();
        double number = double.Parse(s);
        System.Console.Out.WriteLine("Number is: {0:F3}", number);
        return 0;

    // If Parse() threw an exception
    } catch (System.ArgumentNullException) { 
        System.Console.Error.WriteLine("No number was entered!");
    } catch (System.FormatException) {
        System.Console.Error.WriteLine("The specified value is not a valid number!");
    } catch (System.OverflowException) {
        System.Console.Error.WriteLine("The specified number is too big!");
    }

    return -1;
}
```

```vbnet
' Visual Basic .NET example

Public Function Main() As Integer
    Dim number As Double
    Dim s As String

    Try
        s = System.Console.In.ReadLine()
        number = CDbl(s)
        System.Console.Out.WriteLine("Number is: {0:F3}", number)
        Return 0
    Catch e As System.InvalidCastException
        ' if CDbl() threw an exception
        System.Console.Error.WriteLine("No number was entered!")
        Return 1
    End Try
End Function
```

當使用 `System.Diagnostics.Process` 類時，可以使用`StandardInput`、`StandardOutput` 和 `StandardError` 屬性來存取程序的標準串流。

Console 並非指 Dos 的命令列視窗。

### 圖形使用者介面

圖形使用者介面很少使用標準串流。

重導圖形使用者介面或建立管線是不實用的。

最近似的大概是從一個程式剪下（或複製）再貼到另一個。

既然需要人工使用者的運作，移動大量的貼上就不會特別有效率。

一個值得一提的例外為dwm鋪磚式視窗管理器（tiling window manager），其會將導入標準輸入的資料顯示到狀態列。

一些原本在 Unix 上的圖形使用者介面程式仍會寫錯誤訊息到標準錯誤輸出。

其它可能會從標準輸入取得檔案，如許多 Unix 媒體播放程式。

GTK-Server 可以使用標準輸入為溝通介面，以便互動式程式能理解圖形使用者介面程式。

## 參考

- KRONOS 2.1 Reference Manual, Control Data Corporation, Part Number 60407000, 1974
- NOS Version 1 Applications Programmer's Instant, Control Data Corporation, Part Number 60436000, 1978
- Level 68 Introduction to Programming on MULTICS , Honeywell Corporation, 1981
- Evolution of the MVS Operating System , IBM Corporation, 1981
- Lions' Commentary on UNIX Sixth Edition, John Lions, ISBN 1-57398-013-7, 1977
- Console Class, .NET Framework Class Library , Microsoft Corporation, 2008

## 外部連結

- Standard Output Definition - by The Linux Information Project (LINFO)
- Video tutorial demonstrating stdout and stderr