linux之dup和dup2函数解析

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理论介绍：

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 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)等效于
fcntl(oldfd, F_DUPFD, 0)
而调用dup2(oldfd, newfd)等效于
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)；　
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);  
.....
dup2(savefd, STDOUT_FILENO);
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，但是个人总感觉有些不妥，不知道为什么，可能一些潜在的问题还没出现。

实例：

dup 和 dup2 都可以用来复制一个现存的文件描述符。经常用来重新定向进程的 STDIN, STDOUT, STDERR。

dup 函数 
dup 函数定义在 <unistd.h> 中，函数原形为：

int dup ( int filedes ) ; 
函数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，若出错则返回 －1。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。这函数返回的新文件描述符与参数 filedes 共享同一个文件数据结构。

[lingyun@localhost dup]$ ls
dup.c
[lingyun@localhost dup]$ cat dup.c 
/*********************************************************************************
 *      Copyright:  (C) 2013 fulinux<fulinux@sina.com> 
 *                  All rights reserved.
 *
 *       Filename:  dup.c
 *    Description:  This file 
 *                 
 *        Version:  1.0.0(07/31/2013~)
 *         Author:  fulinux <fulinux@sina.com>
 *      ChangeLog:  1, Release initial version on "07/31/2013 04:00:06 PM"
 *                 
 ********************************************************************************/


#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>


int main(int argc, char* argv[])
{
    int fd = open("hello", O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC, S_IRUSR|S_IWUSR);
    if(fd < 0)
    {
        printf("Open Error!! ");
        return 0;
    }


    int nfd = dup(fd);
    if(nfd < 0)
    {
        printf("Error!! ");
        return 0;
    }


    char buf[1000];
    int n;


    while((n = read(STDIN_FILENO, buf,1000)) > 0)
    {
        if(write(nfd, buf, n) != n)
        {
            printf("Write Error!! ");
            return 0;
        }
    }
    return 0;


}

上面代码中，nfd 拷贝了 fd，所以 write ( nfd, buf, n ) 这语句写到 nfd 所代表的文件时也就是写到 fd 所代表的文件。程序执行完后可以在相应的目录的hello文件中看到输出。
[lingyun@localhost dup]$ gcc dup.c 
[lingyun@localhost dup]$ ls
a.out  dup.c
[lingyun@localhost dup]$ ./a.out 
hello world
^C
[lingyun@localhost dup]$ ls
a.out  dup.c  hello
[lingyun@localhost dup]$ cat hello 
hello world
[lingyun@localhost dup]$ 

dup2 函数 
dup2 函数定义在 <unistd.h> 中，函数原形为：

int dup2( int filedes, int filedes2 ) 
同样，函数返回一个新的文件描述符，若出错则返回 －1。与 dup 不同的是，dup2 可以用 filedes2 参数指定新描述符的数值。如果 filedes2 已经打开,则先将其关闭。如若 filedes 等于 filedes2 , 则 dup2 返回 filedes2 , 而不关闭它。同样，返回的新文件描述符与参数 filedes 共享同一个文件数据结构。

dup2函数实例：

[lingyun@localhost dup2]$ ls
dup2.c
[lingyun@localhost dup2]$ cat dup2.c 
/*********************************************************************************
 *      Copyright:  (C) 2013 fulinux<fulinux@sina.com> 
 *                  All rights reserved.
 *
 *       Filename:  dup2.c
 *    Description:  This file 
 *                 
 *        Version:  1.0.0(07/31/2013~)
 *         Author:  fulinux <fulinux@sina.com>
 *      ChangeLog:  1, Release initial version on "07/31/2013 08:22:19 PM"
 *                 
 ********************************************************************************/


#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>


int main(int argc, char* argv[])
{
    int fd = open("hello.file", O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,S_IRUSR|S_IWUSR);
    if(fd < 0)
    {
        printf("Open Error!! ");
        return 0;
    }


    int nfd = dup2(fd, STDOUT_FILENO);
    if(nfd < 0)
    {
        printf("Error!! ");
        return 0;
    }


    char buf[5];
    int n;


    while((n = read(STDIN_FILENO, buf, 5)) > 0)
        if(write(STDOUT_FILENO, buf, n) != n)
        {
            printf("Write Error!! ");
            return 0;
        }
    return 0;
}

上面的例子使用dup2将标准输出重定向为hello.file文件，如下所示：
[lingyun@localhost dup2]$ ls
dup2.c
[lingyun@localhost dup2]$ gcc dup2.c 
[lingyun@localhost dup2]$ ./a.out 
hello world
^C
[lingyun@localhost dup2]$ cat hello.file 
hello world
[lingyun@localhost dup2]$