linux文件系统，dup2等

浏览数：61 / 时间：2015年06月20日

在说linux的文件前，先看看linux的文件系统。虽然实现细节有差异，但文件系统的大致组织形式如下图所示：

局部放大：

由以上两个图可见，对每一个文件都有一个i节点与之对应，这是linux文件系统把文件和文件信息分别抽象出来的结果，文件信息保存在i节点上（i节点长度固定，内容包括文件类型、文件存取许可权位、文件长度和指向该文件所占用的数据块的指针等等，但不包括文件名），可通过系统调用stat(2)、fstat(2)、lstat(2)获取。i节点数量太多，为提高查找效率，内核有时通过一张hash来索引。而文件则保存在数据块区。

由上图还可以看出，可以有多个目录项指向同一个i节点。实质上是每个i节点有一个连接计数（硬连接），只有在指向i节点的目录项数减为0时文件才被删除，相应数据块释放。硬连接的作用是允许一个文件拥有多个有效路径名。

BTW：

与之相对的另一种符号连接（Symbolic Link），也叫软连接。软连接文件有类似于Windows的快捷方式。它实际上是一个特殊的文件。在符号连接中，文件实际上是一个文本文件，其中包含的有另一文件的位置信息。它有自己的i节点，该i节点中的文件类型是S_IFLNK，于是系统知道这是一个符号连接。当我们删除了源文件后，链接文件不能独立存在，虽然仍保留文件名。

另外，在linux里，目录也是一种文件，它通常只包含文件名列表和i节点的位置信息，如图，i节点1267指向的目录创建了子目录testdir（inode2549）:

由图易见，任何一个目录，连接计数至少为2

接着，看看内核处理I/O的数据结构：

进程表项存在在每一个进程里，文件表项是为每一个打开的文件维护的，其中的文件状态标志包括读、写、增写、同步、非阻塞等，v节点可理解为上文的i节点，不同系统实现细节稍有差异。

两个独立进程分别打开同一文件时（同一进程open两次也与之类似）：

注意fork的差异，fork之后，父、子进程对于每一个打开的文件描述符共享同一个文件表项

文件描述符的复制：

#include <unistd.h>
    int dup( int oldfd );
    int dup2( int oldfd, int newfd )

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。用dup2则可以用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。如若oldfd等于newfd，则返回newfd而不关闭它。但他们两个都是原子操作。

如，执行dup(4,1)后，内核数据结构如下所示：

因为两个描述符指向同一文件表项，所以它们共享同一文件状态标志(读、写、添写等)以及同一当前文件位移量。

如果想在复制后恢复，通常的做法是用一个save_fd来备份newfd。

比如：

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);

过程如图：

注：

第3幅图，要执行dup2(fd, 1);，文件描述符1原本指向tty，现在要指向新的文件somefile，就把原来的关闭了，但是tty这个文件原本有两个引用计数，还有文件描述符save_fd也指向它，所以只是将引用计数减1，并不真的关闭文件。
第5幅图，要执行dup2(save_fd, 1);，文件描述符1原本指向somefile，现在要指向新的文件tty，就把原来的关闭了，somefile原本只有一个引用计数，所以这次减到0，是真的关闭了。

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