解惑dup/dup2

ゞ浴缸里的玫瑰 2022-08-13 00:50 168阅读 0赞

最近一段时间在用c写cgi程序，接触了这两个系统调用dup/dup2，碰到了一些  
  
问题，　也解决了一些问题，　写出来与大家分享，也方便以后参考:)  
  
  
  
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:)  
  
  
终于收尾了，一早上过来写，没想到写了两个小时才写完，好久没有写原创了，又重拾  
  
了以前那美妙的感觉:)