dup()和dup2()函数

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
 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3：利用C实现命令的流水线操作的代码

     1:       #include
     2:       #include
     3:       #include
     4:
     5:       int main()
     6:       ...{
     7:         int pfds[2];
     8:
     9:         if ( pipe(pfds) == 0 ) ...{  //建立一个管道
     10:
     11:           if ( fork() == 0 ) ...{  //子进程
     12:
     13:             close(1);    //关闭stdout描述符
     14:             dup2( pfds[1], 1 );  //把stdout重定向到管道（pfds[1]）
     15:             close( pfds[0] );   //关掉管道的输入端
     16:             execlp( "ls", "ls", "-1", NULL ); //把子进程的映像替换为命令ls –1的进程映像
     17:
     18:           } else ...{    //父进程
     19:
     20:             close(0);    //关闭stdin描述符
     21:             dup2( pfds[0], 0 );  //让stdin变成管道的输出端
     22:             close( pfds[1] );   //关闭管道的stdout端（pfds[1]）
     23:             execlp( "wc", "wc", "-l", NULL ); //把父进程的映像替换为命令wc -1的进程映像
     24:
     25:           }
     26:
     27:         }
     28:
     29:         return 0;
     30:       }

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
 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)；