文件描述符----文件表----v節點結構三者的聯系
既然文件描述符標識特定進程正在訪問的文件，那進程跟文件是怎么聯系起來的呢？
首先我們得知道每運行一個進程，shell就會默認為其打開三個文件描述符(0,1,2)，分別與標準輸入(stdin)，標準輸出(stdout)和標準錯誤(stderr)對應。
接下來講下內核所使用的三種數據結構，正是這三種數據結構才使進程最終跟文件聯系起來。建議邊看圖一邊看下面的文字描述
a. 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，可將其視為一個矢量，每個描述符占用一項。
與每個文件描述符相關聯的是：(a) 文件描述符。(b) 指向一個文件表項的指針
b. 內核為所有打開文件維持一張文件表。每個文件表項包含：(a) 文件狀態標志。(b) 當前文件位移量。(c) 指向該文件v節點表項的指針。
c. 每個打開文件（或設備）都有一個v節點結構。是文件的重要信息部分。
下圖表示以上三個數據結構的關系：
fd1 = open(pathname, oflags);
fd2 = dup(fd1);
fd3 = open(pathname, oflags);
圖一
dup/dup2
相信大部分在Unix/Linux下編程的程序員手頭上都有《Unix環境高級編程》(APUE)這本超級經典巨著。作者在該書中講解dup/dup2之前曾經講過“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的是：
(a) 文件描述符標志。
(b) 指向一個文件表項的指針。
(2) 內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節點表項的指針。
圖示：
文件描述符表
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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
------------
... ...
... ...
------------
經下面調用：
n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);后進程狀態如下：
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的第二個參數可以是任意合法范圍的filedes值么？" -- 答案：可以，在Unix其取值區間為[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”，經過dup2后進程A的任何目標為STDOUT_FILENO的I/O操作如printf等，其數據都將流入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？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，而在調用dup2之后，ptr所指向的文件表項由于計數值已為零而被關閉了，我們如果再調用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 ------/
------------
... ...
... ...
------------
調用dup2后狀態為：
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據的時候我是用了不帶緩沖的write庫函數，如果使用帶緩沖區的printf，則最終結果為屏幕上輸出兩行"Hello dup2"，而文件testdup2.dat中為空，原因就是緩沖區作怪，由于最終的目標是屏幕，所以程序最后將緩沖區的內容都輸出到屏幕。
三、父子進程間的dup/dup2
由fork調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
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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
------------
所以恰當的利用dup2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。
四、小結
靈活的利用dup/dup2可以給你帶來很多強大的功能，花了一些時間總結出上面那么多，不知道自己理解的是否透徹，只能在以后的實踐中慢慢探索了。
轉載:
http://blog.21ic.com/user1/6406/archives/2011/81684.html