Linux下的管道编程技术-dup函数和dup2函数

作者: admin 分类: C语言 发布时间: 2009-06-14 17:25 ė 6 没有评论

       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。这意味着,这两个描述符共享同一个
数据结构
。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,并且是函数第一个参数指向的文件。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:)

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