Linux 应用层开发入门（十二）| dup系列函数使用分析
在 Linux 系统编程中，文件描述符（file descriptor）是进程操作文件、管道、socket 等资源的核心标识符。
dup、dup2和dup3系列函数提供了一种机制：复制文件描述符，让不同的文件句柄共享同一个底层文件描述符，从而共享文件偏移、状态标志等属性。
1 函数原型与作用
#include
int dup(int oldfd); // 复制 oldfd，返回新的文件描述符
int dup2(int oldfd, int newfd); // 将 oldfd 复制到 newfd
#define _GNU_SOURCE
#include
int dup3(int oldfd, int newfd, int flags); // flags 可设置 O_CLOEXEC
-
dup(oldfd)
复制oldfd，返回 当前进程中未被占用的最小文件描述符。
两个文件描述符共享同一个文件表项，包括文件偏移和状态标志。 -
dup2(oldfd, newfd)
将oldfd复制到指定的newfd。如果newfd已经打开，会先关闭再复制。
优点是可以指定文件描述符编号，通常用于 重定向标准输入/输出。 -
dup3(oldfd, newfd, flags)
功能与dup2类似，但可以设置flags，常用的是O_CLOEXEC，表示在执行exec系列函数时自动关闭该文件描述符。
2 dup 系列函数的核心特性
在 Linux 中，dup系列函数的核心特性是：复制文件描述符后，新的文件描述符与原文件描述符共享同一个底层文件表项。也就是说，它们共用同一个文件偏移量、文件状态标志（如读写权限、非阻塞标志等），但它们是不同的文件描述符，可以独立关闭。
int fd1 = open("file.txt", O_RDWR); // 打开文件，得到 fd1
int fd2 = dup(fd1); // 复制 fd1，得到 fd2
在上面的例子中，fd2并不是完全独立的新文件，它与fd1指向同一个内核文件表项。文件偏移量是共享的，意味着对任意一个文件描述符的read或write操作都会影响另一个描述符的偏移位置。
char buf[10];
read(fd1, buf, 5); // 从文件开头读5个字节，文件偏移量增加5
read(fd2, buf, 5); // 从偏移5开始读下一个5字节
从执行结果可以看出：即使使用不同的文件描述符读取文件，偏移量仍然是连续的。这在工程实践中非常重要，例如：
- 日志文件共享：多个进程或线程复制同一文件描述符写日志，保证写操作不会覆盖已经写入的数据。
- 管道/设备操作：在同一进程中复制管道或设备文件描述符，可以在不同函数或模块中灵活操作同一底层通道。
- 文件重定向：
dup2和dup3常用于标准输入输出重定向，将stdout或stderr重定向到文件或管道。
📌 工程原则：
dup返回的是系统中最小可用文件描述符，适合快速复制，但无法指定fd值。dup2可指定目标fd值，便于重定向标准输入/输出。dup3在dup2基础上增加flags，例如设置O_CLOEXEC，保证exec系列调用时自动关闭描述符，防止文件泄漏。
通过这个例子，我们可以清晰地理解 dup 系列函数不是复制文件本身，而是复制对文件的引用，这是 Linux 文件描述符管理中一个非常重要的特性。
3 使用场景分析
dup 系列函数在 Linux 开发中非常常用，核心用途就是复制文件描述符，从而实现文件操作的灵活性和统一管理。下面结合常见场景进行分析。
3.1 标准输入/输出重定向
在命令行程序中，经常需要将标准输出（stdout）或标准输入（stdin）重定向到文件，这时 dup2 非常方便。例如，我们希望把程序的输出写入日志文件，而不是终端：
#include
#include
#include
int main() {
int fd = open("log.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
if (fd < 0) {
perror("open");
return -1;
}
dup2(fd, STDOUT_FILENO); // 将 fd 复制到标准输出
printf("这条信息会写入 log.txt
"); // 输出会写入文件
close(fd); // 原始 fd 可以关闭
return 0;
}
在这个例子中，printf输出不再显示在终端，而是直接写入文件log.txt。这种方法广泛应用于日志系统、后台服务（daemon）程序等场景。
3.2 管道 / 进程间通信
在父子进程通信或多进程流水线（pipeline）中，dup2也十分重要。通过复制文件描述符，将管道的读写端重定向到标准输入/输出，使子进程可以直接使用scanf或printf与父进程通信。例如，将父进程的管道输出重定向到子进程的标准输入，实现数据传输而无需显式传递文件描述符。
3.3 exec 系列函数配合 O_CLOEXEC
在执行exec系列函数启动新进程时，如果不关闭不需要的文件描述符，可能会造成资源泄漏。此时dup3可以配合O_CLOEXEC标志使用，确保新进程启动后自动关闭指定文件描述符：
int fd = open("data.txt", O_RDONLY);
int fd_dup = dup3(fd, 10, O_CLOEXEC); // fd_dup 在 exec 后自动关闭
通过这种方式，开发者可以精确控制哪些文件描述符在新进程中保留，哪些需要关闭，保证系统资源不会被无意占用。
📌 工程原则：
- 对标准输入输出重定向时优先使用
dup2，简洁且明确。 - 进程间通信时结合管道和
dup2可以让子进程无缝使用标准输入输出。 - 启动新进程前，使用
dup3+O_CLOEXEC可以避免文件描述符泄漏，是编写守护进程或服务程序的推荐做法。
4 工程经验与注意事项
-
不要混淆文件描述符与 FILE*
dup复制的是文件描述符（int 类型），不是FILE*结构体，如果同时操作FILE*和对应 fd，可能导致缓冲区不同步。 -
避免文件描述符泄漏
使用dup2或dup3指定复制的文件描述符前，最好检查并关闭已有文件描述符，避免资源浪费。 -
理解共享偏移量的影响
多个 fd 对同一文件的写操作可能出现偏移混乱问题，需要使用lseek或锁机制保证数据一致性。
