Linux文件，文件描述符以及dup()和dup2()

一.Linux中文件

可以分为4种：普通文件、目录文件、链接文件和设备文件。

1、普通文件

是用户日常使用最多的文件，包括文本文件、shell脚本、二进制的可执行和各种类型的数据。

ls -lh 来查看某个文件的属性，可以看到有类似 -rw-r--r-- ，值得注意的是第一个符号是 - ，这样的文件在Linux中就是普通文件。这些文件一般是用一些相关的应用程序创建，比如图像工具、文档工具、归档工具... .... 或 cp工具等。这类文件的删除方式是用rm 命令；

2、目录文件

在linux中，目录也是文件，它们是包含文件名和子目录名以及指向那些文件和子目录的指针

当我们在某个目录下执行，看到有类似 drwxr-xr-x ，这样的文件就是目录，目录在Linux是一个比较特殊的文件。注意它的第一个字符是d。创建目录的命令可以用 mkdir 命令，或cp命令，cp可以把一个目录复制为另一个目录。删除用rm 或rmdir命令。

3、链接文件

链接文件类似于Windows中的“快捷方式”。

是通过ln -s 源文件名 新文件名   来创建的。

4、设备文件

包括两种，块设备文件，另一种是字符设备文件

块设备文件是指数据的读写，它们是以块为单位的设备，如硬盘光驱

字符设备主要是指串行端口的接口设备，如网卡等。

1、文件描述符及其作用

内核（kernel）利用文件描述符（file descriptor）来访问文件。文件描述符是非负整数。打开现存文件或新建文件时，内核会返回一个文件描述符。读写文件也需要使用文件描述符来指定待读写的文件。 对于 Linux 而言,所有对设备和文件的操作都使用文件描述符来进行的。文件描述符是一个非负的整数,它是一个索引值,并指向内核中每个进程打开文件的记录表。当打开一个现存文件或创建一个新文件时,内核就向进程返回一个文件描述符;当需要读写文件时,

也需要把文件描述符作为参数传递给相应的函数。

通常,一个进程启动时,都会打开 3 个文件:标准输入、标准输出和标准出错处理。这3 个文件分别对应文件描述符为 0、1和2也就是宏替换 STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO,鼓励读者使用这些宏替换)。

查看LINUX默认的文件描述符，总共有1024个，对于大多数情况下是够用的：

# ulimit -n

查看进程id

#ps aux

获取某进程文件描述符

cd /proc/[pid]/fd
[pid] 是对应的进程的pid.

#cd /proc/1473/fd

#sysctl -a | grep fs.file

nr就是已经用的

参考：百科http://baike.baidu.com/view/1303430.htm

三.dup和dup2

dup和dup2也是两个非常有用的调用，它们的作用都是用来复制一个文件的描述符。
它们经常用来重定向进程的stdin、stdout和stderr。
这两个函数的 原形如下：
#include <unistd.h>
int dup( int oldfd );
int dup2( int oldfd, int targetfd )
利用函数dup，我们可以复制一个描述符。传给该函数一个既有的描述符，它就会返回一个新的描述符，
这个新的描述符是传给它的描述符的拷贝。这意味着，这两个描述符共享同一个数据结构。例如，
如果我们对一个文件描述符执行lseek操作，得到的第一个文件的位置和第二个是一样的。
下面是用来说明dup函数使用方法的代码片段：
int fd1, fd2;
    ...
fd2 = dup( fd1 );


需要注意的是，我们可以在调用fork之前建立一个描述符，这与调用dup建立描述符的效果是一样的，
子进程也同样会收到一个复制出来的描述符。
dup2函数跟dup函数相似，但dup2函数允许调用者规定一个有效描述符和目标描述符的id。dup2函数成功返回时，
目标描述符（dup2函数的第二个参数）将变成源描述符（dup2函数的第一个参数）的复制品，换句话说，
两个文件描述符现在都指向同一个文件，并且是函数第一个参数指向的文件。下面我们用一段代码加以说明：      
int oldfd;
oldfd = open("app_log", (O_RDWR | O_CREATE), 0644 );
dup2( oldfd, 1 );
close( oldfd );
本例中，我们打开了一个新文件，称为“app_log”，并收到一个文件描述符，该描述符叫做fd1。我们调用dup2函数，
参数为oldfd和1，这会导致用我们新打开的文件描述符替换掉由1代表的文件描述符（即stdout，因为标准输出文件的id为1）。
任何写到stdout的东西，现在都将改为写入名为“app_log”的文件中。
需要注意的是，dup2函数在复制了oldfd之后，会立即将其关闭，但不会关掉新近打开的文件描述符，因为文件描述符1现在也指向它。
下面我们介绍一个更加深入的示例代码。回忆一下本文前面讲的命令行管道，在那里，我们将ls –1命令的标准输出作为标准输入
连接到wc –l命令。接下来，我们就用一个C程序来加以说明这个过程的实现。代码如下面的示例代码3所示。 
在示例代码3中，首先在第9行代码中建立一个管道，然后将应用程序分成两个进程：一个子进程（第13–16行）
和一个父进程（第20–23行）。接下来，在子进程中首先关闭stdout描述符（第13行），然后提供了ls –1命令功能，
不过它不是写到stdout（第13行），而是写到我们建立的管道的输入端，这是通过dup函数来完成重定向的。在第14行，
使用dup2 函数把stdout重定向到管道（pfds[1]）。之后，马上关掉管道的输入端。然后，使用execlp函数把子进程的
映像替换为命令ls –1的进程映像，一旦该命令执行，它的任何输出都将发给管道的输入端。
现在来研究一下管道的接收端。从代码中可以看出，管道的接收端是由父进程来担当的。首先关闭stdin描述符（第20行），
因为我们不会从机器的键盘等标准设备文件来接收数据的输入，而是从其它程序的输出中接收数据。然后，再一次用到dup2函数（第21行），
让stdin变成管道的输出端，这是通过让文件描述符0（即常规的stdin）等于pfds[0]来实现的。关闭管道的stdout端（pfds[1]），
因为在这里用不到它。最后，使用 execlp函数把父进程的映像替换为命令wc -1的进程映像，命令wc -1把管道的内容作为它的输入（第23行）。
示例代码：利用C实现命令的流水线操作的代码
      #include <stdio.h>
     #include <stdlib.h>
     #include <unistd.h>
     
            int main()
           {
              int pfds[2];
     
              if ( pipe(pfds) == 0 ) {   //建立一个管道
     
                if ( fork() == 0 ) {   //子进程
     
                 close(1);     //关闭stdout描述符
                 dup2( pfds[1], 1 );   //把stdout重定向到管道（pfds[1]）
                 close( pfds[0] );    //关掉管道的输入端
                  execlp( "ls", "ls", "-1", NULL ); //把子进程的映像替换为命令ls –1的进程映像
     
                } else {     //父进程
     
                 close(0);     //关闭stdin描述符
                  dup2( pfds[0], 0 );   //让stdin变成管道的输出端
                 close( pfds[1] );    //关闭管道的stdout端（pfds[1]）
                  execlp( "wc", "wc", "-l", NULL ); //把父进程的映像替换为命令wc -1的进程映像
     
               }
     
            }
     
              return 0;
           }


在该程序中，需要格外关注的是，我们的子进程把它的输出重定向的管道的输入，然后，父进程将它的输入重定向到管道的输出。
这在实际的应用程序开发中是非常有用的一种技术。
1. 文件描述符在内核中数据结构
    在具体说dup/dup2之前，　我认为有必要先了解一下文件描述符在内核中的形态。
一个进程在此存在期间，会有一些文件被打开，从而会返回一些文件描述符，从shell
中运行一个进程，默认会有3个文件描述符存在(0、１、2), 0与进程的标准输入相关联，
１与进程的标准输出相关联，2与进程的标准错误输出相关联，一个进程当前有哪些打开
的文件描述符可以通过/proc/进程ID/fd目录查看。　下图可以清楚的说明问题：
　　进程表项


————————————————
　　　fd标志　文件指针
       _____________________


fd 0:|________|____________|------------> 文件表


fd 1:|________|____________|


fd 2:|________|____________|


fd 3:|________|____________|


      |     .......         |


      |_____________________|


                图１
文件表中包含:文件状态标志、当前文件偏移量、v节点指针，这些不是本文讨论的
重点，我们只需要知道每个打开的文件描述符(fd标志)在进程表中都有自己的文件表
项，由文件指针指向。
2. dup/dup2函数
APUE和man文档都用一句话简明的说出了这两个函数的作用：复制一个现存的文件描述符。
#include <unistd.h>
int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd, int newfd);
从图１来分析这个过程，当调用dup函数时，内核在进程中创建一个新的文件描述符，此
描述符是当前可用文件描述符的最小数值，这个文件描述符指向oldfd所拥有的文件表项。
　　进程表项


————————————————


　　　fd标志　文件指针


       _____________________


fd 0:|________|____________|                   ______


fd 1:|________|____________|----------------> |      |


fd 2:|________|____________|                  |文件表|


fd 3:|________|____________|----------------> |______|


      |     .......         |


      |_____________________|


                图2：调用dup后的示意图
如图2 所示，假如oldfd的值为1, 当前文件描述符的最小值为3,　那么新描述符3指向
描述符１所拥有的文件表项。
dup2和dup的区别就是可以用newfd参数指定新描述符的数值，如果newfd已经打开，则
先将其关闭。如果newfd等于oldfd，则dup2返回newfd, 而不关闭它。dup2函数返回的新
文件描述符同样与参数oldfd共享同一文件表项。
APUE用另外一个种方法说明了这个问题：
实际上，调用dup(oldfd)；
等效与
        fcntl(oldfd, F_DUPFD, 0)
而调用dup2(oldfd, newfd)；
等效与
        close(oldfd)；
        fcntl(oldfd, F_DUPFD, newfd)；
3. CGI中dup2
写过CGI程序的人都清楚，当浏览器使用post方法提交表单数据时，CGI读数据是从标准
输入stdin, 写数据是写到标准输出stdout(c语言利用printf函数)。按照我们正常的理
解，printf的输出应该在终端显示，原来CGI程序使用dup2函数将STDOUT_FINLENO(这个
宏在unitstd.h定义，为１)这个文件描述符重定向到了连接套接字。
dup2(connfd, STDOUT_FILENO)；　／*实际情况还涉及到了管道，不是本文的重点*/
如第一节所说，　一个进程默认的文件描述符１(STDOUT_FILENO)是和标准输出stdout相
关联的，对于内核而言，所有打开的文件都通过文件描述符引用，而内核并不知道流的
存在(比如stdin、stdout)，所以printf函数输出到stdout的数据最后都写到了文件描述
符１里面。至于文件描述符0、１、2与标准输入、标准输出、标准错误输出相关联，这
只是shell以及很多应用程序的惯例，而与内核无关。
用下面的流图可以说明问题:(ps: 虽然不是流图关系，但是还是有助于理解)
printf －> stdout －> STDOUT_FILENO(1) －> 终端(tty)
printf最后的输出到了终端设备，文件描述符１指向当前的终端可以这么理解：
STDOUT_FILENO = open("/dev/tty", O_RDWR);
使用dup2之后STDOUT_FILENO不再指向终端设备，　而是指向connfd, 所以printf的
输出最后写到了connfd。是不是很优美？:)
4. 如何在CGI程序的fork子进程中还原STDOUT_FILENO
如果你能看到这里，感谢你的耐心，　我知道很多人可能感觉有点复杂，　其实
复杂的问题就是一个个小问题的集合。所以弄清楚每个小问题就OK了，第三节中
说道，STDOUT_FILENO被重定向到了connfd套接字，　有时候我们可能想在CGI程序
中调用后台脚本执行，而这些脚本中难免会有一些输入输出，　我们知道fork之后，
子进程继承了父进程的所有文件描述符，所以这些脚本的输入输出并不会如我们愿
输出到终端设备，而是和connfd想关联了，这个显然会扰乱网页的输出。那么如何
恢复STDOUT_FILENO和终端关联呢？
方法１：在dup2之前保存原有的文件描述符，然后恢复。
代码实现如下：
savefd = dup(STDOUT_FILENO);　／*savefd此时指向终端*/
dup2(connfd, STDOUT_FILENO);   /*STDOUT_FILENO(1) 被重新指向connfd*/
..... /*处理一些事情*/
dup2(savefd, STDOUT_FILENO); /*STDOUT_FILENO(1)　恢复指向savefd*/
很遗憾CGI程序无法使用这种方法，　因为dup2这些不是在CGI程序中完成的，而是在
web server中实现的，修改web server并不是个好主意。
方法2: 追本溯源，打开当前终端恢复STDOUT_FILENO。
分析第三节的流图，　STDOUT_FILENO是如何和终端关联的？　我们重头做一遍不就行
了，　代码实现如下：
ttyfd = open("/dev/tty", O_RDWR);
dup2(ttyfd, STDOUT_FILENO);
close(ttyfd);
/dev/tty是程序运行所在的终端，　这个应该通过一种方法获得。实践证明这种方法
是可行的，但是我总感觉有些不妥，不知道为什么，可能一些潜在的问题还没出现。