dup和dup2

 

相信大部分在Unix/Linux下编程的程序员手头上都有《Unix环境高级编程》(APUE)这本超级经典巨著。作者在该书中讲解dup/dup2之前曾经讲过“文件共享”，这对理解dup/dup2还是很有帮助的。这里做简单摘录以备在后面的分析中使用：

    Stevens said:
    (1) 每个进程在进程表中都有一个记录项，每个记录项中有一张打开文件描述符表，可将视为一个矢量，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。
    (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、增写、同步、非阻塞等)。
    (b) 当前文件位移量。
    (c) 指向该文件v节点表项的指针。
    图示：
    文件描述符表
    ------------
    fd0 0 | p0 -------------> 文件表0 ---------> vnode0
    ------------
    fd1 1 | p1 -------------> 文件表1 ---------> vnode1
    ------------
    fd2 2 | p2
    ------------
    fd3 3 | p3
    ------------
    ... ...
    ... ...
    ------------
    一、单个进程内的dup和dup2
    假设进程A拥有一个已打开的文件描述符fd3，它的状态如下：
    进程A的文件描述符表(before dup2)
    ------------
    fd0 0 | p0
    ------------
    fd1 1 | p1 -------------> 文件表1 ---------> vnode1
    ------------
    fd2 2 | p2
    ------------
    fd3 3 | p3 -------------> 文件表2 ---------> vnode2
    ------------
    ... ...
    ... ...
    ------------
    经下面调用：
    n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);后进程状态如下：
    进程A的文件描述符表(after dup2)
    ------------
    fd0 0 | p0
    ------------
    n_fd 1 | p1 ------------
    ------------
    fd2 2 | p2
    ------------ _|
    fd3 3 | p3 -------------> 文件表2 ---------> vnode2
    ------------
    ... ...
    ... ...
    ------------
    解释如下：
    n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO)表示n_fd与fd3共享一个文件表项(它们的文件表指针指向同一个文件表项)，n_fd在文件描述符表中的位置为 STDOUT_FILENO的位置，而原先的STDOUT_FILENO所指向的文件表项被关闭，我觉得上图应该很清晰的反映出这点。按照上面的解释我们就可以解释CU中提出的一些问题：
    (1) "dup2的第一个参数是不是必须为已打开的合法filedes？" -- 答案：必须。
    (2) "dup2的第二个参数可以是任意合法范围的filedes值么？" -- 答案：可以，在Unix其取值区间为[0,255]。
    另外感觉理解dup2的一个好方法就是把fd看成一个结构体类型，就如上面图形中画的那样，我们不妨把之定义为：
    struct fd_t {
    int index;
    filelistitem *ptr;
    };
    然后dup2匹配index，修改ptr，完成dup2操作。
    在学习dup2时总是碰到“重定向”一词，上图完成的就是一个“从标准输出到文件的重定向”，经过dup2后进程A的任何目标为STDOUT_FILENO的I/O操作如printf等，其数据都将流入fd3所对应的文件中。下面是一个例子程序：
    #define TESTSTR "Hello dup2n"
    int main() {
    int fd3;
    fd3 = open("testdup2.dat", 0666);
    if (fd < 0) {
    printf("open errorn");
    exit(-1);
    }
    if (dup2(fd3, STDOUT_FILENO) < 0) {
    printf("err in dup2n");
    }
    printf(TESTSTR);
    return 0;
    }
    其结果就是你在testdup2.dat中看到"Hello dup2"。
二、重定向后恢复
    CU上有这样一个帖子，就是如何在重定向后再恢复原来的状态？首先大家都能想到要保存重定向前的文件描述符。那么如何来保存呢，象下面这样行么？
    int s_fd = STDOUT_FILENO;
    int n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);
    还是这样可以呢？
    int s_fd = dup(STDOUT_FILENO);
    int n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);
    这两种方法的区别到底在哪呢？答案是第二种方案才是正确的，分析如下：按照第一种方法，我们仅仅在"表面上"保存了相当于fd_t（按照我前面说的理解方法）中的index，而在调用dup2之后，ptr所指向的文件表项由于计数值已为零而被关闭了，我们如果再调用dup2(s_fd, fd3)就会出错(出错原因上面有解释)。而第二种方法我们首先做一下复制，复制后的状态如下图所示:
    进程A的文件描述符表(after dup)
    ------------
    fd0 0 | p0
    ------------
    fd1 1 | p1 -------------> 文件表1 ---------> vnode1
    ------------ /|
    fd2 2 | p2 /
    ------------ /
    fd3 3 | p3 -------------> 文件表2 ---------> vnode2
    ------------ /
    s_fd 4 | p4 ------/
    ------------
    ... ...
    ... ...
    ------------
    调用dup2后状态为：
    进程A的文件描述符表(after dup2)
    ------------
    fd0 0 | p0
    ------------
    n_fd 1 | p1 ------------
    ------------
    fd2 2 | p2
    ------------ _|
    fd3 3 | p3 -------------> 文件表2 ---------> vnode2
    ------------
    s_fd 4 | p4 ------------->文件表1 ---------> vnode1
    ------------
    ... ...
    ... ...
    ------------
    dup(fd)的语意是返回的新的文件描述符与fd共享一个文件表项。就如after dup图中的s_fd和fd1共享文件表1一样。
    确定第二个方案后重定向后的恢复就很容易了，只需调用dup2(s_fd, n_fd);即可。下面是一个完整的例子程序：
    #define TESTSTR "Hello dup2n"
    #define SIZEOFTESTSTR 11
    int main() {
    int fd3;
    int s_fd;
    int n_fd;
    fd3 = open("testdup2.dat", 0666);
    if (fd3 < 0) {
    printf("open errorn");
    exit(-1);
    }
    /* 复制标准输出描述符 */
    s_fd = dup(STDOUT_FILENO);
    if (s_fd < 0) {
    printf("err in dupn");
    }
    /* 重定向标准输出到文件 */
    n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);
    if (n_fd < 0) {
    printf("err in dup2n");
    }
    write(STDOUT_FILENO, TESTSTR, SIZEOFTESTSTR); /* 写入testdup2.dat中 */
    /* 重定向恢复标准输出 */
    if (dup2(s_fd, n_fd) < 0) {
    printf("err in dup2n");
    }
    write(STDOUT_FILENO, TESTSTR, SIZEOFTESTSTR); /* 输出到屏幕上 */
    return 0;
    }

    注意这里我在输出数据的时候我是用了不带缓冲的write库函数，如果使用带缓冲区的printf，则最终结果为屏幕上输出两行"Hello dup2"，而文件testdup2.dat中为空，原因就是缓冲区作怪，由于最终的目标是屏幕，所以程序最后将缓冲区的内容都输出到屏幕。

 三、父子进程间的dup/dup2

    由fork调用得到的子进程和父进程的相同文件描述符共享同一文件表项，如下图所示：
    父进程A的文件描述符表
    ------------
    fd0 0 | p0
    ------------
    fd1 1 | p1 -------------> 文件表1 ---------> vnode1
    ------------ /|
    fd2 2 | p2 |
    ------------ |
    |
    子进程B的文件描述符表 |
    ------------ |
    fd0 0 | p0 |
    ------------ |
    fd1 1 | p1 ---------------------|
    ------------
    fd2 2 | p2
    ------------
    所以恰当的利用dup2和dup可以在父子进程之间建立一条“沟通的桥梁”。这里不详述。
    四、小结
    灵活的利用dup/dup2可以给你带来很多强大的功能，花了一些时间总结出上面那么多，不知道自己理解的是否透彻，只能在以后的实践中慢慢探索了。