Linux文件，文件描述符以及dup()和dup2()
一.Linux中文件
可以分為4種：普通文件、目錄文件、鏈接文件和設備文件。
1、普通文件
?? 是用戶日常使用最多的文件，包括文本文件、shell腳本、二進制的可執行和各種類型的數據。
??? ??? ls -lh 來查看某個文件的屬性，可以看到有類似 -rw-r--r-- ，值得注意的是第一個符號是 - ，這樣的文件在Linux中就是普通文件。這些文件一般是用一些相關的應用程序創建，比如圖像工具、文檔工具、歸檔工具... .... 或 cp工具等。這類文件的刪除方式是用rm 命令；
2、目錄文件
????在linux中，目錄也是文件，它們是包含文件名和子目錄名以及指向那些文件和子目錄的指針
當我們在某個目錄下執行，看到有類似 drwxr-xr-x ，這樣的文件就是目錄，目錄在Linux是一個比較特殊的文件。注意它的第一個字符是d。創建目錄的命令可以用 mkdir 命令，或cp命令，cp可以把一個目錄復制為另一個目錄。刪除用rm 或rmdir命令。
3、鏈接文件
鏈接文件類似于Windows中的“快捷方式”。
是通過ln -s 源文件名 新文件名?? 來創建的。
4、設備文件
包括兩種，塊設備文件，另一種是字符設備文件
? ? ? ?塊設備文件是指數據的讀寫，它們是以塊為單位的設備，如硬盤光驅
? ? ? ?字符設備主要是指串行端口的接口設備，如網卡等。
二、文件描述符?1、文件描述符及其作用
??內核（kernel）利用文件描述符（file descriptor）來訪問文件。文件描述符是非負整數。打開現存文件或新建文件時，內核會返回一個文件描述符。讀寫文件也需要使用文件描述符來指定待讀寫的文件。 對于 Linux 而言,所有對設備和文件的操作都使用文件描述符來進行的。文件描述符是一個非負的整數,它是一個索引值,并指向內核中每個進程打開文件的記錄表。當打開一個現存文件或創建一個新文件時,內核就向進程返回一個文件描述符;當需要讀寫文件時,
也需要把文件描述符作為參數傳遞給相應的函數。
通常,一個進程啟動時,都會打開 3 個文件:標準輸入、標準輸出和標準出錯處理。這3 個文件分別對應文件描述符為 0、1和2也就是宏替換 STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO,鼓勵讀者使用這些宏替換)。
查看LINUX默認的文件描述符，總共有1024個，對于大多數情況下是夠用的：
# ulimit -n
查看進程id
#ps aux
獲取某進程文件描述符
cd /proc/[pid]/fd
[pid] 是對應的進程的pid.
#cd /proc/1473/fd
#sysctl -a | grep fs.file
nr就是已經用的
參考：百科http://baike.baidu.com/view/1303430.htm
三.dup和dup2
dup和dup2也是兩個非常有用的調用，它們的作用都是用來復制一個文件的描述符。
它們經常用來重定向進程的stdin、stdout和stderr。
這兩個函數的 原形如下：
#include <unistd.h>
int dup( int oldfd );
int dup2( int oldfd, int targetfd )
利用函數dup，我們可以復制一個描述符。傳給該函數一個既有的描述符，它就會返回一個新的描述符，
這個新的描述符是傳給它的描述符的拷貝。這意味著，這兩個描述符共享同一個數據結構。例如，
如果我們對一個文件描述符執行lseek操作，得到的第一個文件的位置和第二個是一樣的。
下面是用來說明dup函數使用方法的代碼片段：
int fd1, fd2;
? ? ...
fd2 = dup( fd1 );
需要注意的是，我們可以在調用fork之前建立一個描述符，這與調用dup建立描述符的效果是一樣的，
子進程也同樣會收到一個復制出來的描述符。
dup2函數跟dup函數相似，但dup2函數允許調用者規定一個有效描述符和目標描述符的id。dup2函數成功返回時，
目標描述符（dup2函數的第二個參數）將變成源描述符（dup2函數的第一個參數）的復制品，換句話說，
兩個文件描述符現在都指向同一個文件，并且是函數第一個參數指向的文件。下面我們用一段代碼加以說明： ? ? ?
int oldfd;
oldfd = open("app_log", (O_RDWR | O_CREATE), 0644 );
dup2( oldfd, 1 );
close( oldfd );
本例中，我們打開了一個新文件，稱為“app_log”，并收到一個文件描述符，該描述符叫做fd1。我們調用dup2函數，
參數為oldfd和1，這會導致用我們新打開的文件描述符替換掉由1代表的文件描述符（即stdout，因為標準輸出文件的id為1）。
任何寫到stdout的東西，現在都將改為寫入名為“app_log”的文件中。
需要注意的是，dup2函數在復制了oldfd之后，會立即將其關閉，但不會關掉新近打開的文件描述符，因為文件描述符1現在也指向它。
下面我們介紹一個更加深入的示例代碼。回憶一下本文前面講的命令行管道，在那里，我們將ls –1命令的標準輸出作為標準輸入
連接到wc –l命令。接下來，我們就用一個C程序來加以說明這個過程的實現。代碼如下面的示例代碼3所示。?
在示例代碼3中，首先在第9行代碼中建立一個管道，然后將應用程序分成兩個進程：一個子進程（第13–16行）
和一個父進程（第20–23行）。接下來，在子進程中首先關閉stdout描述符（第13行），然后提供了ls –1命令功能，
不過它不是寫到stdout（第13行），而是寫到我們建立的管道的輸入端，這是通過dup函數來完成重定向的。在第14行，
使用dup2 函數把stdout重定向到管道（pfds[1]）。之后，馬上關掉管道的輸入端。然后，使用execlp函數把子進程的
映像替換為命令ls –1的進程映像，一旦該命令執行，它的任何輸出都將發給管道的輸入端。
現在來研究一下管道的接收端。從代碼中可以看出，管道的接收端是由父進程來擔當的。首先關閉stdin描述符（第20行），
因為我們不會從機器的鍵盤等標準設備文件來接收數據的輸入，而是從其它程序的輸出中接收數據。然后，再一次用到dup2函數（第21行），
讓stdin變成管道的輸出端，這是通過讓文件描述符0（即常規的stdin）等于pfds[0]來實現的。關閉管道的stdout端（pfds[1]），
因為在這里用不到它。最后，使用 execlp函數把父進程的映像替換為命令wc -1的進程映像，命令wc -1把管道的內容作為它的輸入（第23行）。
示例代碼：利用C實現命令的流水線操作的代碼
? ? ? #include <stdio.h>
? ? ?#include <stdlib.h>
? ? ?#include <unistd.h>
? ? ?
? ? ? ? ? ? int main()
? ? ? ? ? ?{
? ? ? ? ? ? ? int pfds[2];
? ? ?
? ? ? ? ? ? ? if ( pipe(pfds) == 0 ) { ? //建立一個管道
? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ? if ( fork() == 0 ) { ? //子進程
? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ? ?close(1); ? ? //關閉stdout描述符
? ? ? ? ? ? ? ? ?dup2( pfds[1], 1 ); ? //把stdout重定向到管道（pfds[1]）
? ? ? ? ? ? ? ? ?close( pfds[0] ); ? ?//關掉管道的輸入端
? ? ? ? ? ? ? ? ? execlp( "ls", "ls", "-1", NULL ); //把子進程的映像替換為命令ls –1的進程映像
? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ? } else { ? ? //父進程
? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ? ?close(0); ? ? //關閉stdin描述符
? ? ? ? ? ? ? ? ? dup2( pfds[0], 0 ); ? //讓stdin變成管道的輸出端
? ? ? ? ? ? ? ? ?close( pfds[1] ); ? ?//關閉管道的stdout端（pfds[1]）
? ? ? ? ? ? ? ? ? execlp( "wc", "wc", "-l", NULL ); //把父進程的映像替換為命令wc -1的進程映像
? ? ?
? ? ? ? ? ? ? ?}
? ? ?
? ? ? ? ? ? }
? ? ?
? ? ? ? ? ? ? return 0;
? ? ? ? ? ?}
在該程序中，需要格外關注的是，我們的子進程把它的輸出重定向的管道的輸入，然后，父進程將它的輸入重定向到管道的輸出。
這在實際的應用程序開發中是非常有用的一種技術。
1. 文件描述符在內核中數據結構
? ? 在具體說dup/dup2之前， 我認為有必要先了解一下文件描述符在內核中的形態。
一個進程在此存在期間，會有一些文件被打開，從而會返回一些文件描述符，從shell
中運行一個進程，默認會有3個文件描述符存在(0、１、2), 0與進程的標準輸入相關聯，
１與進程的標準輸出相關聯，2與進程的標準錯誤輸出相關聯，一個進程當前有哪些打開
的文件描述符可以通過/proc/進程ID/fd目錄查看。 下圖可以清楚的說明問題：
進程表項
————————————————
fd標志 文件指針
? ? ? ?_____________________
fd 0:|________|____________|------------> 文件表
fd 1:|________|____________|
fd 2:|________|____________|
fd 3:|________|____________|
? ? ? | ? ? ....... ? ? ? ? |
? ? ? |_____________________|
? ? ? ? ? ? ? ? 圖１
文件表中包含:文件狀態標志、當前文件偏移量、v節點指針，這些不是本文討論的
重點，我們只需要知道每個打開的文件描述符(fd標志)在進程表中都有自己的文件表
項，由文件指針指向。
2. dup/dup2函數
APUE和man文檔都用一句話簡明的說出了這兩個函數的作用：復制一個現存的文件描述符。
#include <unistd.h>
int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd, int newfd);
從圖１來分析這個過程，當調用dup函數時，內核在進程中創建一個新的文件描述符，此
描述符是當前可用文件描述符的最小數值，這個文件描述符指向oldfd所擁有的文件表項。
進程表項
————————————————
fd標志 文件指針
? ? ? ?_____________________
fd 0:|________|____________| ? ? ? ? ? ? ? ? ? ______
fd 1:|________|____________|----------------> | ? ? ?|
fd 2:|________|____________| ? ? ? ? ? ? ? ? ?|文件表|
fd 3:|________|____________|----------------> |______|
? ? ? | ? ? ....... ? ? ? ? |
? ? ? |_____________________|
? ? ? ? ? ? ? ? 圖2：調用dup后的示意圖
如圖2 所示，假如oldfd的值為1, 當前文件描述符的最小值為3, 那么新描述符3指向
描述符１所擁有的文件表項。
dup2和dup的區別就是可以用newfd參數指定新描述符的數值，如果newfd已經打開，則
先將其關閉。如果newfd等于oldfd，則dup2返回newfd, 而不關閉它。dup2函數返回的新
文件描述符同樣與參數oldfd共享同一文件表項。
APUE用另外一個種方法說明了這個問題：
實際上，調用dup(oldfd)；
等效與
? ? ? ? fcntl(oldfd, F_DUPFD, 0)
而調用dup2(oldfd, newfd)；
等效與
? ? ? ? close(oldfd)；
? ? ? ? fcntl(oldfd, F_DUPFD, newfd)；
3. CGI中dup2
寫過CGI程序的人都清楚，當瀏覽器使用post方法提交表單數據時，CGI讀數據是從標準
輸入stdin, 寫數據是寫到標準輸出stdout(c語言利用printf函數)。按照我們正常的理
解，printf的輸出應該在終端顯示，原來CGI程序使用dup2函數將STDOUT_FINLENO(這個
宏在unitstd.h定義，為１)這個文件描述符重定向到了連接套接字。
dup2(connfd, STDOUT_FILENO)； ／*實際情況還涉及到了管道，不是本文的重點*/
如第一節所說， 一個進程默認的文件描述符１(STDOUT_FILENO)是和標準輸出stdout相
關聯的，對于內核而言，所有打開的文件都通過文件描述符引用，而內核并不知道流的
存在(比如stdin、stdout)，所以printf函數輸出到stdout的數據最后都寫到了文件描述
符１里面。至于文件描述符0、１、2與標準輸入、標準輸出、標準錯誤輸出相關聯，這
只是shell以及很多應用程序的慣例，而與內核無關。
用下面的流圖可以說明問題:(ps: 雖然不是流圖關系，但是還是有助于理解)
printf －> stdout －> STDOUT_FILENO(1) －> 終端(tty)
printf最后的輸出到了終端設備，文件描述符１指向當前的終端可以這么理解：
STDOUT_FILENO = open("/dev/tty", O_RDWR);
使用dup2之后STDOUT_FILENO不再指向終端設備， 而是指向connfd, 所以printf的
輸出最后寫到了connfd。是不是很優美？:)
4. 如何在CGI程序的fork子進程中還原STDOUT_FILENO
如果你能看到這里，感謝你的耐心， 我知道很多人可能感覺有點復雜， 其實
復雜的問題就是一個個小問題的集合。所以弄清楚每個小問題就OK了，第三節中
說道，STDOUT_FILENO被重定向到了connfd套接字， 有時候我們可能想在CGI程序
中調用后臺腳本執行，而這些腳本中難免會有一些輸入輸出， 我們知道fork之后，
子進程繼承了父進程的所有文件描述符，所以這些腳本的輸入輸出并不會如我們愿
輸出到終端設備，而是和connfd想關聯了，這個顯然會擾亂網頁的輸出。那么如何
恢復STDOUT_FILENO和終端關聯呢？
方法１：在dup2之前保存原有的文件描述符，然后恢復。
代碼實現如下：
savefd = dup(STDOUT_FILENO); ／*savefd此時指向終端*/
dup2(connfd, STDOUT_FILENO); ? /*STDOUT_FILENO(1) 被重新指向connfd*/
..... /*處理一些事情*/
dup2(savefd, STDOUT_FILENO); /*STDOUT_FILENO(1) 恢復指向savefd*/
很遺憾CGI程序無法使用這種方法， 因為dup2這些不是在CGI程序中完成的，而是在
web server中實現的，修改web server并不是個好主意。
方法2: 追本溯源，打開當前終端恢復STDOUT_FILENO。
分析第三節的流圖， STDOUT_FILENO是如何和終端關聯的？ 我們重頭做一遍不就行
了， 代碼實現如下：
ttyfd = open("/dev/tty", O_RDWR);
dup2(ttyfd, STDOUT_FILENO);
close(ttyfd);
/dev/tty是程序運行所在的終端， 這個應該通過一種方法獲得。實踐證明這種方法
是可行的，但是我總感覺有些不妥，不知道為什么，可能一些潛在的問題還沒出現。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的Linux文件，文件描述符以及dup()和dup2()的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
