1.概述

在Linux系統中，一切皆可以看做是“檔案”，這裡“檔案”包括普通檔案、目錄檔案、連結檔案和裝置檔案等。而檔案描述符(file descriptor, 簡稱fd)是Linux核心所建立的索引，其目的為了高效管理已被開啟的“檔案”。其實，檔案描述符就是一個非負整數（通常是小整數），用於指代被開啟的“檔案”，而所有對該“檔案”的I/O操作都是通過該檔案描述符來執行的。

通常，程式剛剛啟動時，系統就已經佔用了3個檔案描述符：0（標準輸入）、1（標準輸出）和2（標準錯誤）。如果程式此時開啟一個新檔案或建立一個socket連線，其對應的檔案描述符將會是3。

至於為什麼會是3？原因：POSIX標準要求每次開啟檔案(socket)時，其分配的檔案描述符必須是當前程序中最小可用

POSIX標準輸入輸出的檔案描述符，如下：

2.檔案描述符、檔案指標、開啟檔案

在Linux系統中，每個檔案描述符對應一個開啟的檔案，同時不同的檔案描述符也可以指向同一個檔案。相同的檔案可以被不同的程序開啟，每個程序中有對應的檔案描述符（可以相同也可不相同）；相同檔案也可以在同一個程序中多次開啟（對應不同的檔案描述符）。上面已簡單說明，為了高效管理開啟的檔案，Linux系統為每個程序維護了一個檔案描述表，該表的值都是從0開始的，所以在不同的進城中可以看到相同的檔案描述符。這種情況下，相同的檔案描述符有可能指向同一個檔案，也有可能指向不同的檔案，具體情況要依據具體場景分析。要想理解具體的概況，需要了解和檢視核心維護的3個數據結構：

1. 程序級的檔案描述符表
2. 系統級的開啟檔案描述符表
3. 檔案系統的i-node表

1. 控制檔案描述符的一組標誌（目前，此類標記只定義了一個，即close-on-exec）
2. 對應開啟檔案控制代碼的應用（檔案指標）

Linux核心對所有開啟檔案的維護有一個系統級的描述符表(open file descriptor table)，或稱之為開啟檔案表(open file table)。表中每條記錄稱為開啟檔案控制代碼(open file handler)，一個開啟檔案控制代碼儲存了與一個開啟檔案相關的全部資訊，譬如：當前檔案偏移量、檔案訪問模式、該檔案i-node物件的引用、檔案型別和訪問許可權等。

下圖展示了檔案描述符、打卡檔案控制代碼（檔案指標）、開啟檔案以及i-node之間的關係，其中，三個程序擁有多個開啟的檔案描述符。

其中：

Process 1中，檔案描述符3和21都指向了同一個檔案a，這可能是通過dup()、dup2()、fcntl()或對同一個檔案多次呼叫open()函式形成的；

Process 1檔案描述符21和Process 2中檔案描述符35都指向檔案a，但是卻對應兩個不同開啟檔案控制代碼(檔案指標)，二者開啟模式不同(O_RDONLY與O_WRDONLY)。這種情形可能是呼叫fork()後建立子程序，或某個程序通過UNIX套接字將一個開啟的檔案描述符傳遞給另一個程序，或兩個獨立的程序分別open()開啟同一個檔案。

Process 1和Process 3中檔案描述符3分別對應檔案a和檔案b。

3.檔案描述符限制

通常，在涉及檔案操作或網路通訊程式設計時，初學者一般可能會遇到“Too many open files”問題。其原因是檔案描述符是作業系統的一個重要資源，雖說系統記憶體有多少就可以開啟多少檔案描述符，但實際實現過程中核心一般都會做相應處理，一般開啟檔案數會是系統記憶體的10%（以KB來計算），稱之為系統級限制。檢視系統級的最大開啟檔案數可以使用sysctl -a | grep fs.file-max命令檢視。與此同時，核心為了不讓某一個程序消耗掉所有的檔案資源，也會對單個程序最大開啟檔案數做預設處理，稱之為使用者級限制，預設值一般是1024。使用者可以通過ulimit -a 和ulimit -n命令來檢視和修改使用者級限制。

使用者也可以修改下limits.conf檔案，永久更改系統檔案描述符的最大值

vi /etc/security/limits.conf

在最後新增如下兩行：

*       soft    nofile  65536
*       hard    nofile  65536

有關檔案描述符的限制和設定，具體參見參考資料[1]和[2]。

4.dup()、dup2()檔案描述符操作

dup()和dup2()都是對檔案描述符的操作，程式可以通過系統呼叫來複制檔案描述符。

函式原型：

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

dup()用來複制oldfd所指的檔案描述符。複製成功時，返回最小的尚未被使用的檔案描述符；若出現錯誤則返回-1，且錯誤碼存於errno中。而返回的新檔案描述符和引數oldfd指向同一個檔案，共享所有的索性、讀寫指標、各項許可權或標誌位等。

dup2()將引數newfd指向引數oldfd所指向的檔案。若檔案描述符newfd已經被程式使用（對已某個開啟檔案），系統則會將其關閉釋放該檔案描述符；若newfd和oldfd相等，dup2()將返回newfd，但不關閉newfd。dup2()呼叫成功返回新的檔案描述符，出錯則返回-1。

針對dup()和dup2()，下分別給出對應程式碼展示其相應的簡單功能。

dup_test.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
  int fd_out = fileno(stdout);
  int fd_err = fileno(stderr);
  int fd_file = open("dup_test_file.log", O_RDWR | O_CREAT | O_APPEND | O_LARGEFILE, 0644);

  write(fd_out, "1: write message into fd_out.\n", strlen("1: write message into fd_out.\n"));
  write(fd_err, "1: write message into fd_err.\n", strlen("1: write message into fd_err.\n"));
  write(fd_file, "1: write message into fd_file.\n", strlen("1: write message into fd_file.\n"));

  printf("stdout's fd = %d.\n", fd_out);
  printf("stderr's fd = %d.\n", fd_err);
  printf("file's fd = %d.\n", fd_file);
  
  /**
   * int dup(int oldfd);
   * 用來複制oldfd所指的檔案描述符.
   * 複製成功時,返回最小的尚未被使用的檔案描述符;若出現錯誤則返回-1,且錯誤碼存於errno.
   * 返回的新的檔案描述符和引數oldfd指向同一個檔案，共享所有的鎖定、讀寫指標、各項許可權或標誌位等.
  **/

  int new_fd_err = dup(fd_err);
  if (-1 == new_fd_err)
  {
    printf("dup() failed.\n");
    return 1;
  }
  else
  {
    printf("new stderr's fd = %d.\n", new_fd_err);
    write(new_fd_err, "2: write message into new_fd_err(not close(fd_err)).\n", strlen("2: write message into new_fd_err(not close(fd_err)).\n"));
    close(fd_out);
    write(new_fd_err, "2: write message into new_fd_err(close(fd_err)).\n", strlen("2: write message into new_fd_err(close(fd_err)).\n"));
  }

  int new_fd_file = dup(fd_file);
  if (-1 == new_fd_file)
  {
    printf("dup() failed.\n");
    return 1;
  }
  else
  {
    printf("new file's fd = %d\n", new_fd_file);
    write(new_fd_file, "2: write message into new_fd_file(not close(fd_file)).\n", strlen("2: write message into new_fd_file(not close(fd_file)).\n"));
    close(fd_out);
    write(new_fd_file, "2: write message into new_fd_file(not close(fd_file)).\n", strlen("2: write message into new_fd_file(close(fd_file)).\n"));
  }

  return 0;
}

通過dup()對fd_err和fd_file進行復制，得到new_fd_err和new_fd_file，同時呼叫write()向新的檔案描述符寫入訊息時，均會對應寫到老的檔案描述符指向的檔案中，即使老的檔案描述符已經關閉。

dup2_test.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
int main()
{
  int fd_out = fileno(stdout);
  int fd_err = fileno(stderr);

  int fd_file1 = open("dup2_test_file1.log", O_RDWR | O_CREAT | O_APPEND | O_LARGEFILE, 0644);

  write(fd_out, "1: write message into fd_out.\n", strlen("1: write message into fd_out.\n"));
  write(fd_err, "1: write message into fd_err.\n", strlen("1: write message into fd_err.\n"));
  write(fd_file1, "1: write message into file1.\n", strlen("1: write message into file1.\n"));
  
  printf("stdout's fd = %d.\n", fd_out);
  printf("stderr's fd = %d.\n", fd_err);
  printf("file1's fd = %d.\n", fd_file1);
  
  /**
   * int dup(int oldfd);
   * 用來複制oldfd所指的檔案描述符.
   * 複製成功時,返回最小的尚未被使用的檔案描述符;若出現錯誤則返回-1,且錯誤碼存於errno.
   * 返回的新的檔案描述符和引數oldfd指向同一個檔案，共享所有的鎖定、讀寫指標、各項許可權或標誌位等.
  **/
  
  /**
   * newfd與oldfd不相等,且newfd對應的檔案只有一個檔案描述符(引用計數為1)
   * 呼叫dup2()時會將newfd對應的檔案關閉,同時newfd指向oldfd對應的檔案(引用計數+1)
   * 此時,向newfd寫入訊息時,就會寫到oldfd對應的檔案
  **/
  int fd_ret = dup2(fd_file1, fd_err);
  printf("dup2() return value: fd_ret = %d.\n", fd_ret);
  // 下面這兩種輸出都會寫到dup2_test_file1.log中
  write(fd_err, "2: write message into fd_err.\n", strlen("2: write message into fd_err.\n"));
  fprintf(stderr, "2: printf message into stderr.\n", strlen("2: printf message into stderr.\n"));

  /**
   * newfd與oldfd不相等,且newfd對應的檔案不只一個檔案描述符(引用計數大於1)
   * 呼叫dup2()時,newfd指向oldfd對應的檔案(引用計數+1),而newfd對應的原檔案並不關閉,僅將引用計數-1
   * 此時,向newfd寫入訊息時,就會寫到oldfd對應的檔案
  **/
  int fd_file2 = open("dup2_test_file2.log", O_RDWR | O_CREAT | O_APPEND | O_LARGEFILE, 0644);
  write(fd_file2, "3: write message into file2.\n", strlen("3: write message into file2.\n"));
  printf("file2's fd = %d.\n", fd_file2);

  int fd_file2_dup = dup(fd_file2);
  printf("file2's dup_fd = %d.\n", fd_file2_dup);

  fd_ret = dup2(fd_file1, fd_file2);
  printf("dup2() return value: fd_ret = %d.\n", fd_ret);

  // 寫入file2_fd的訊息將寫入檔案dup2_test_file1.log中
  write(fd_file2, "3: wriet message into file2_fd.\n", strlen("3: wriet message into file2_fd.\n"));
  // 寫入file2_fd_dup的訊息仍然寫入dup2_test_file2.log中
  write(fd_file2_dup, "3: wriet message into file2_fd_dup.\n", strlen("3: wriet message into file2_fd_dup.\n"));

  /**
   * newfd與oldfd相等, dup2()不做任何事情,並返回newfd
  **/
  int fd = fd_file1;
  fd_ret = dup2(fd_file1, fd);
  printf("dup2() return value: fd_ret = %d.\n", fd_ret);
 
  //close(fd_file1);
  //把上面的操作在執行一遍,也會是同樣的結果
  //同樣也可以對stdout類似的操作,進而可以控制所有的標準輸出都寫到檔案中

  return 1;
}

5.總結

6.參考資料