1.概述

在Linux系统中，一切皆可以看做是“文件”，这里“文件”包括普通文件、目录文件、链接文件和设备文件等。而文件描述符(file descriptor, 简称fd)是Linux内核所创建的索引，其目的为了高效管理已被打开的“文件”。其实，文件描述符就是一个非负整数（通常是小整数），用于指代被打开的“文件”，而所有对该“文件”的I/O操作都是通过该文件描述符来执行的。

通常，程序刚刚启动时，系统就已经占用了3个文件描述符：0（标准输入）、1（标准输出）和2（标准错误）。如果程序此时打开一个新文件或建立一个socket连接，其对应的文件描述符将会是3。

至于为什么会是3？原因：POSIX标准要求每次打开文件(socket)时，其分配的文件描述符必须是当前进程中最小可用的文件描述符。因此，在网络编程时，网络通信过程中稍不注意就可能造成“串话”现象。

POSIX标准输入输出的文件描述符，如下：

file descriptor	purpose	POSIX	STDIO
0	标准输入	STDIN_FILENO	stdin
1	标准输出	STDOUT_FILENO	stdout
2	标准错误	STDERR_FILENO	stderr

2.文件描述符、文件指针、打开文件

在Linux系统中，每个文件描述符对应一个打开的文件，同时不同的文件描述符也可以指向同一个文件。相同的文件可以被不同的进程打开，每个进程中有对应的文件描述符（可以相同也可不相同）；相同文件也可以在同一个进程中多次打开（对应不同的文件描述符）。上面已简单说明，为了高效管理打开的文件，Linux系统为每个进程维护了一个文件描述表，该表的值都是从0开始的，所以在不同的进城中可以看到相同的文件描述符。这种情况下，相同的文件描述符有可能指向同一个文件，也有可能指向不同的文件，具体情况要依据具体场景分析。要想理解具体的概况，需要了解和查看内核维护的3个数据结构：

1. 进程级的文件描述符表
2. 系统级的打开文件描述符表
3. 文件系统的i-node表

Linux内核对所有打开文件的维护有一个系统级的描述符表(open file descriptor table)，或称之为打开文件表(open file table)。表中每条记录称为打开文件句柄(open file handler)，一个打开文件句柄存储了与一个打开文件相关的全部信息，譬如：当前文件偏移量、文件访问模式、该文件i-node对象的引用、文件类型和访问权限等。

下图展示了文件描述符、打卡文件句柄（文件指针）、打开文件以及i-node之间的关系，其中，三个进程拥有多个打开的文件描述符。

其中：

Process 1中，文件描述符3和21都指向了同一个文件a，这可能是通过dup()、dup2()、fcntl()或对同一个文件多次调用open()函数形成的；

Process 1文件描述符21和Process 2中文件描述符35都指向文件a，但是却对应两个不同打开文件句柄(文件指针)，二者打开模式不同(O_RDONLY与O_WRDONLY)。这种情形可能是调用fork()后创建子进程，或某个进程通过UNIX套接字将一个打开的文件描述符传递给另一个进程，或两个独立的进程分别open()打开同一个文件。

Process 1和Process 3中文件描述符3分别对应文件a和文件b。

3.文件描述符限制

通常，在涉及文件操作或网络通信编程时，初学者一般可能会遇到“Too many open files”问题。其原因是文件描述符是操作系统的一个重要资源，虽说系统内存有多少就可以打开多少文件描述符，但实际实现过程中内核一般都会做相应处理，一般打开文件数会是系统内存的10%（以KB来计算），称之为系统级限制。查看系统级的最大打开文件数可以使用sysctl -a | grep fs.file-max命令查看。与此同时，内核为了不让某一个进程消耗掉所有的文件资源，也会对单个进程最大打开文件数做默认处理，称之为用户级限制，默认值一般是1024。用户可以通过ulimit -a 和ulimit -n命令来查看和修改用户级限制。

用户也可以修改下limits.conf文件，永久更改系统文件描述符的最大值

vi /etc/security/limits.conf

在最后添加如下两行：

*       soft    nofile  65536
*       hard    nofile  65536

有关文件描述符的限制和设置，具体参见参考资料[1]和[2]。

4.dup()、dup2()文件描述符操作

dup()和dup2()都是对文件描述符的操作，程序可以通过系统调用来复制文件描述符。

函数原型：

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

其中：

dup()用来复制oldfd所指的文件描述符。复制成功时，返回最小的尚未被使用的文件描述符；若出现错误则返回-1，且错误码存于errno中。而返回的新文件描述符和参数oldfd指向同一个文件，共享所有的索性、读写指针、各项权限或标志位等。

dup2()将参数newfd指向参数oldfd所指向的文件。若文件描述符newfd已经被程序使用（对已某个打开文件），系统则会将其关闭释放该文件描述符；若newfd和oldfd相等，dup2()将返回newfd，但不关闭newfd。dup2()调用成功返回新的文件描述符，出错则返回-1。

针对dup()和dup2()，下分别给出对应代码展示其相应的简单功能。

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);
   * 用来复制oldfd所指的文件描述符.
   * 复制成功时,返回最小的尚未被使用的文件描述符;若出现错误则返回-1,且错误码存于errno.
   * 返回的新的文件描述符和参数oldfd指向同一个文件，共享所有的锁定、读写指针、各项权限或标志位等.
  **/

  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;
}

通过dup()对fd_err和fd_file进行复制，得到new_fd_err和new_fd_file，同时调用write()向新的文件描述符写入消息时，均会对应写到老的文件描述符指向的文件中，即使老的文件描述符已经关闭。

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);
   * 用来复制oldfd所指的文件描述符.
   * 复制成功时,返回最小的尚未被使用的文件描述符;若出现错误则返回-1,且错误码存于errno.
   * 返回的新的文件描述符和参数oldfd指向同一个文件，共享所有的锁定、读写指针、各项权限或标志位等.
  **/
  
  /**
   * newfd与oldfd不相等,且newfd对应的文件只有一个文件描述符(引用计数为1)
   * 调用dup2()时会将newfd对应的文件关闭,同时newfd指向oldfd对应的文件(引用计数+1)
   * 此时,向newfd写入消息时,就会写到oldfd对应的文件
  **/
  int fd_ret = dup2(fd_file1, fd_err);
  printf("dup2() return value: fd_ret = %d.\n", fd_ret);
  // 下面这两种输出都会写到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与oldfd不相等,且newfd对应的文件不只一个文件描述符(引用计数大于1)
   * 调用dup2()时,newfd指向oldfd对应的文件(引用计数+1),而newfd对应的原文件并不关闭,仅将引用计数-1
   * 此时,向newfd写入消息时,就会写到oldfd对应的文件
  **/
  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);

  // 写入file2_fd的消息将写入文件dup2_test_file1.log中
  write(fd_file2, "3: wriet message into file2_fd.\n", strlen("3: wriet message into file2_fd.\n"));
  // 写入file2_fd_dup的消息仍然写入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与oldfd相等, dup2()不做任何事情,并返回newfd
  **/
  int fd = fd_file1;
  fd_ret = dup2(fd_file1, fd);
  printf("dup2() return value: fd_ret = %d.\n", fd_ret);
 
  //close(fd_file1);
  //把上面的操作在执行一遍,也会是同样的结果
  //同样也可以对stdout类似的操作,进而可以控制所有的标准输出都写到文件中

  return 1;
}

上述给出的例子里并未涉及网络通信(socket)所占用文件描述符时的操作使用，以及fork()子进程时，子进程和父进程间文件描述符的共享等。

5.总结

6.参考资料