dup & dup2

sqy 2007-03-28

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相信大部分在Unix/Linux下編程的程序員手頭上都有《Unix環(huán)境高級編程》(APUE)這本超級經(jīng)典巨著。作者在該書中講解dup/dup2之前曾經(jīng)講過“文件共享”，這對理解dup/dup2還是很有幫助的。這里做簡單摘錄以備在后面的分析中使用：
Stevens said:
(1) 每個進程在進程表中都有一個記錄項，每個記錄項中有一張打開文件描述符表，可將視為一個矢量，每個描述符占用一項。與每個文件描述符相關聯(lián)的是：
   (a) 文件描述符標志。
   (b) 指向一個文件表項的指針。
(2) 內(nèi)核為所有打開文件維持一張文件表。每個文件表項包含：
   (a) 文件狀態(tài)標志(讀、寫、增寫、同步、非阻塞等)。
   (b) 當前文件位移量。
   (c) 指向該文件v節(jié)點表項的指針。
圖示：
   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、單個進程內(nèi)的dup和dup2
假設進程A擁有一個已打開的文件描述符fd3，它的狀態(tài)如下：
進程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
   ------------
... ...
... ...
   ------------

經(jīng)下面調(diào)用：
n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);后進程狀態(tài)如下：

進程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
   ------------
... ...
... ...
   ------------
解釋如下：
n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO)表示n_fd與fd3共享一個文件表項(它們的文件表指針指向同一個文件表項)，n_fd在文件描述符表中的位置為 STDOUT_FILENO的位置，而原先的STDOUT_FILENO所指向的文件表項被關閉，我覺得上圖應該很清晰的反映出這點。按照上面的解釋我們就可以解釋CU中提出的一些問題：
(1) "dup2的第一個參數(shù)是不是必須為已打開的合法filedes？" -- 答案：必須。
(2) "dup2的第二個參數(shù)可以是任意合法范圍的filedes值么？" -- 答案：可以，在Unix其取值區(qū)間為[0,255]。

另外感覺理解dup2的一個好方法就是把fd看成一個結(jié)構體類型，就如上面圖形中畫的那樣，我們不妨把之定義為：
struct fd_t {
int index;
filelistitem *ptr;
};
然后dup2匹配index，修改ptr，完成dup2操作。

在學習dup2時總是碰到“重定向”一詞，上圖完成的就是一個“從標準輸出到文件的重定向”，經(jīng)過dup2后進程A的任何目標為STDOUT_FILENO的I/O操作如printf等，其數(shù)據(jù)都將流入fd3所對應的文件中。下面是一個例子程序：
#define TESTSTR "Hello dup2\n"
int main() {
int fd3;

        fd3 = open("testdup2.dat", 0666);
        if (fd < 0) {
                printf("open error\n");
                exit(-1);
        }

        if (dup2(fd3, STDOUT_FILENO) < 0) {
                printf("err in dup2\n");
        }
        printf(TESTSTR);
        return 0;
}
其結(jié)果就是你在testdup2.dat中看到"Hello dup2"。

二、重定向后恢復
CU上有這樣一個帖子，就是如何在重定向后再恢復原來的狀態(tài)？首先大家都能想到要保存重定向前的文件描述符。那么如何來保存呢，象下面這樣行么？
int s_fd = STDOUT_FILENO;
int n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);
還是這樣可以呢？
int s_fd = dup(STDOUT_FILENO);
int n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);
這兩種方法的區(qū)別到底在哪呢？答案是第二種方案才是正確的，分析如下：按照第一種方法，我們僅僅在"表面上"保存了相當于fd_t（按照我前面說的理解方法）中的index，而在調(diào)用dup2之后，ptr所指向的文件表項由于計數(shù)值已為零而被關閉了，我們?nèi)绻僬{(diào)用dup2(s_fd, fd3)就會出錯(出錯原因上面有解釋)。而第二種方法我們首先做一下復制，復制后的狀態(tài)如下圖所示:
進程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 ------/
   ------------
... ...
... ...
   ------------

調(diào)用dup2后狀態(tài)為：
進程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)的語意是返回的新的文件描述符與fd共享一個文件表項。就如after dup圖中的s_fd和fd1共享文件表1一樣。

確定第二個方案后重定向后的恢復就很容易了，只需調(diào)用dup2(s_fd, n_fd);即可。下面是一個完整的例子程序：
#define TESTSTR "Hello dup2\n"
#define SIZEOFTESTSTR 11

int main() {
        int     fd3;
        int     s_fd;
        int     n_fd;

        fd3 = open("testdup2.dat", 0666);
        if (fd3 < 0) {
                printf("open error\n");
                exit(-1);
        }

        /* 復制標準輸出描述符 */
        s_fd = dup(STDOUT_FILENO);
        if (s_fd < 0) {
                printf("err in dup\n");
        }

        /* 重定向標準輸出到文件 */
        n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);
        if (n_fd < 0) {
                printf("err in dup2\n");
        }
        write(STDOUT_FILENO, TESTSTR, SIZEOFTESTSTR);   /* 寫入testdup2.dat中 */

        /* 重定向恢復標準輸出 */
        if (dup2(s_fd, n_fd) < 0) {
                printf("err in dup2\n");
        }
        write(STDOUT_FILENO, TESTSTR, SIZEOFTESTSTR); /* 輸出到屏幕上 */
        return 0;
}
注意這里我在輸出數(shù)據(jù)的時候我是用了不帶緩沖的write庫函數(shù)，如果使用帶緩沖區(qū)的printf，則最終結(jié)果為屏幕上輸出兩行"Hello dup2"，而文件testdup2.dat中為空，原因就是緩沖區(qū)作怪，由于最終的目標是屏幕，所以程序最后將緩沖區(qū)的內(nèi)容都輸出到屏幕。

三、父子進程間的dup/dup2
由fork調(diào)用得到的子進程和父進程的相同文件描述符共享同一文件表項，如下圖所示：
父進程A的文件描述符表
   ------------
fd0 0   | p0
   ------------
fd1 1   | p1 -------------> 文件表1 ---------> vnode1
   ------------                            /|\
fd2 2   | p2                            |
   ------------                            |
                                              |
子進程B的文件描述符表                |
   ------------                             |
fd0 0   | p0                            |
   ------------                             |
fd1 1   | p1 ---------------------|
   ------------
fd2 2   | p2
   ------------
所以恰當?shù)睦胐up2和dup可以在父子進程之間建立一條“溝通的橋梁”。這里不詳述。