【Linux C | 文件I/O】文件共享、dup、dup2 函数

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一、概述

Linux内核是怎么去表示文件的？
多个进程打开同一个文件是，Linux是怎么处理的？
如果同一个文件被打开多次，Linux内核又是怎么处理的？

本文介绍Linux的文件共享，以及dup、dup2函数。

二、文件共享

内核使用3种数据结构表示打开文件，它们之间的关系决定了在文件共享方面一个进程对另一个进程可能产生的影响。

• (1)每个进程在进程表中都有一个记录项，记录项中包含一张打开文件描述符表，可将其视为一个矢量，每个描述符占用一项。与每个文件描述符相关联的是：
  a. 文件描述符标志（close_on_exec，参见图3-7和3.14节);
  b. 指向一个文件表项的指针。

• (2)内核为所有打开文件维持一张文件表。每个文件表项包含:
  a，文件状态标志(读、写、添写、同步和非阻塞等，关于这些标志的更多信息参见3.14 节);
  b.当前文件偏移量;
  c．指向该文件v节点表项的指针。

• (3)每个打开文件（或设备）都有一个v节点 ( v-node）结构。v节点包含了文件类型和对此文件进行各种操作函数的指针。对于大多数文件，v节点还包含了该文件的i节点（i-node，索引节点)。这些信息是在打开文件时从磁盘上读入内存的，所以，文件的所有相关信息都是随时可用的。例如，i 节点包含了文件的所有者、文件长度、指向文件实际数据块在磁盘上所在位置的指针等(4.14节较详细地说明了典型UNIX系统文件系统，并将更多地介绍i节点)。

如果两个进程打开同一个文件，我们假定第一个进程在文件描述符3上打开该文件，而另一个进程在文件描述符4上打开该文件。打开该文件的每个进程都获得各自的一个文件表项，但对一个给定的文件只有一个v节点表项。之所以每个进程都获得自己的文件表项，是因为这可以使每个进程都有它自己的对该文件的当前偏移量。

三、dup 函数

函数原型

#include 
int dup(int oldfd);

dup 函数可以用来复制一个现存的文件描述符。
由dup返回的新文件描述符一定是当前可用文件描述符中的最小数值。

dup 函数返回的文件描述符与参数oldfd共享同一个文件表项，所以它们共享同一文件状态标志(读、写、追加等)以及同一当前文件偏移量。

dup 函数的使用场景

• 1、重定向标准输入、输出和错误输出
  话说在很久以前， 程序员在写daemon服务程序时， 基本上都有这样的流程： 首先关闭标准输出stdout、 标准出错stderr， 然后进行dup操作， 将stdout或stderr重定向。

  int fd = open("./my_stdout", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0775);
  close(STDOUT_FILENO);
  dup(fd);
  

  上面代码先创建一个文件my_stdout，然后关闭了标准输出，此时最小的可用描述符就是 1(STDOUT_FILENO)，再dup时会返回最小可用描述符 1，此时描述符1是关联到my_stdout文件的，后面的prinitf也会输出到my_stdout文件 。

• 2、管道通信
  管道通信是一种常见的进程间通信方式。通过dup2函数，我们可以将管道的读端或写端复制到标准输入或标准输出，从而实现进程间的通信。这种方式可以方便地实现进程之间的数据传输和信息交换。

• 3、文件描述符的复制
  有时候我们需要复制一个文件描述符，以便在不同的上下文中使用。通过dup2函数，我们可以创建一个新的文件描述符，并复制旧的文件描述符的状态，使得两者指向同一个文件表项。这样做的好处是在不改变原来文件描述符设置的情况下，可以在新的文件描述符上进行操作。

看例子：

#include 
#include 
#include 

int main()
{
	int fd = open("./dup_test", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0775);
	close(STDOUT_FILENO);
	dup(fd);
	printf("this will printf to test file\n"); // 这句会写到 dup_test 文件
	fprintf(stderr,"this is stderr\n"); // 这句不会写的 dup_test，因为只重定向了 STDOUT_FILENO
	return 0;
}

四、dup2 函数

函数原型

#include 
int dup2(int oldfd, int newfd);

dup2 函数是使用用户指定的文件描述符newfd来复制oldfd的。如果newfd已经被打开，则会先将其关闭；如果 oldfd 等于 newfd ， dup2 返回 newfd 而不关闭它。

与 dup 函数的区别：
1、可以指定复制后的文件；
2、使关闭和复制描述符成为原子操作；如果先close，再dup，在多线程的情况下，在close和dup之间可能被其他线程先open或dup了，而使结果不是我们想要的。使用dup2可以避免此种情况。

看例子：

#include 
#include 
#include 

int main()
{
        int fd = open("./dup_test", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0775);
        //close(STDOUT_FILENO);
        dup2(fd, STDOUT_FILENO); // 原子操作，可以避免在close之后被其他先open或dup
        dup2(fd, STDERR_FILENO);
        printf("this will printf to test file\n"); // 这句会写到 dup_test 文件
        fprintf(stderr,"this is stderr\n"); // 这句会写到 dup_test 文件
        return 0;
}
~ 

五、总结

本文介绍Linux的文件共享，以及dup、dup2函数的介绍和使用场景、使用例子。

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参考资料：
man手册：《Linux Programmer’s Manual》
《unix环境编程 第二版》
https://blog.csdn.net/m0_72410588/article/details/132867064
https://blog.csdn.net/wh128341/article/details/125906940