分类： LINUX
2014-12-12 13:16:45
原文地址：Linux下的管道编程技术-dup函数和dup2函数 作者：wylover_wu
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dup and dup2的剖析dup和dup2都可用来复制一个现存的文件描述符，使两个文件描述符指向同一个file结构体。如果两个文件描述符指向同一个file结构体，File Status Flag和读写位置只保存一份在file结构体中，并且file结构体的引用计数是2。如果两次open同一文件得到两个文件描述符，则每个描述符对应一个不同的file结构体，可以有不同的File Status Flag和读写位置。请注意区分这两种情况。 #include 如果调用成功，这两个函数都返回新分配或指定的文件描述符，如果出错则返回-1。dup返回的新文件描述符一定该进程未使用的最小文件描述符，这一点和open类似。dup2可以用newfd参数指定新描述符的数值。如果newfd当前已经打开，则先将其关闭再做dup2操作，如果oldfd等于newfd，则dup2直接返回newfd而不用先关闭newfd再复制。 下面这个例子演示了dup和dup2函数的用法，请结合后面的连环画理解程序的执行过程。 #include #include #include #include #include #include
int main(void)
{ int fd, save_fd; char msg[] = "This is a test\n"; fd = open("somefile", O_RDWR|O_CREAT, S_IRUSR|S_IWUSR); if(fd<0) { perror("open"); exit(1); } save_fd = dup(STDOUT_FILENO); dup2(fd, STDOUT_FILENO); close(fd); write(STDOUT_FILENO, msg, strlen(msg)); dup2(save_fd, STDOUT_FILENO); write(STDOUT_FILENO, msg, strlen(msg)); close(save_fd); return 0; } 
重点解释两个地方：
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。这两个函数的原型如下所示： #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，但是描述符是可以使用中的描述符的最小值。这意味着，这两个描述符共享同一个 。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的文件表项，并且是函数第一个参数指向的文件,且第二个描述符的值保留不变。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 ) ...{ 10: 11: if ( fork() == 0 ) ...{ 12: 13: close(1); 14: dup2( pfds[1], 1 ); 15: close( pfds[0] ); 16: execlp( "ls", "ls", "-1", NULL ); 17: 18: } else ...{ 19: 20: close(0); 21: dup2( pfds[0], 0 ); 22: close( pfds[1] ); 23: execlp( "wc", "wc", "-l", NULL ); 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)； 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)； ／*实际情况还涉及到了管道，不是本文的重点*/ 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); /*STDOUT_FILENO(1) 被重新指向connfd*/ ..... /*处理一些事情*/ dup2(savefd, STDOUT_FILENO); /*STDOUT_FILENO(1) 恢复指向savefd*/ 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，但是我总感觉有些不妥，不知道为什么，可能一些潜在的问题还没出现。 目前我就想到这两种方法， 不知道你有什么好的想法？ 有的话希望告诉我:) 本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：http://blog.chinaunix.net/u1/51097/showart_441629.html |
