Unix/Linux 中 dup、dup2 和 dup3 系统调用解析
在 Unix/Linux 系统中，dup、dup2 和 dup3 是用于复制文件描述符的系统调用。它们的主要作用是创建现有文件描述符的副本，使多个描述符指向同一个内核文件表项，从而共享相同的文件偏移量和状态。以下是它们的原理和区别的详细说明：
1. dup 函数
作用：
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复制一个现有的文件描述符，并返回一个新的、未使用的最小文件描述符。
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新描述符与原描述符指向相同的文件表项，共享文件偏移量和状态。
原理：
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内核会在进程的文件描述符表中查找最小的未使用描述符，并将其指向原描述符对应的文件表项。
示例：
int newfd = dup(oldfd); // 返回新描述符
2. dup2 函数
作用：
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将一个现有文件描述符复制到指定的目标描述符
newfd。 -
如果
newfd已被占用，则会先关闭newfd，然后复制。
原理：
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若
newfd已打开，dup2会原子性地关闭它，并保证最终newfd指向oldfd对应的文件表项。 -
如果
oldfd == newfd，直接返回newfd，并不会关闭它。
示例：
int result = dup2(oldfd, newfd); // 强制将 newfd 指向 oldfd 的文件
3. dup3 函数
作用：
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功能与
dup2类似，但支持额外的选项（如O_CLOEXEC）。
原理：
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在复制时，可以通过
flags参数传递选项（目前仅支持O_CLOEXEC）。O_CLOEXEC标志用于设置新描述符在执行exec时自动关闭，避免子进程继承该描述符。 -
如果
oldfd == newfd，则会返回EINVAL错误。
示例：
int newfd = dup3(oldfd, newfd, O_CLOEXEC); // 设置新描述符的 close-on-exec 标志
底层机制
文件描述符表 vs. 文件表项
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每个进程有一个 文件描述符表，记录当前进程打开的文件描述符。
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内核维护全局的 文件表项，它包含文件偏移量、状态标志、inode 指针等。
当调用 dup 系列函数时：
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新描述符指向与原描述符相同的文件表项。
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文件表项的引用计数增加，直到所有描述符关闭后才会释放资源。
共享属性：
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文件偏移量：多个描述符共享相同的文件偏移量，修改其中一个会影响另一个。
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文件状态：如读写权限等。
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描述符标志：如
FD_CLOEXEC，可以通过fcntl单独设置。
使用场景
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重定向输入/输出： 例如，将标准输出重定向到文件：
int fd = open("output.txt", O_WRONLY); dup2(fd, STDOUT_FILENO); // 标准输出指向文件 -
多线程共享文件操作： 多个线程可以通过不同描述符操作同一文件。
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管道通信： 父进程和子进程通过复制描述符共享管道。
关键区别
| 函数 | 指定目标 fd | 自动关闭目标 fd | 支持选项 |
|---|---|---|---|
dup | 否（自动选择） | 否 | 无 |
dup2 | 是 | 是（若已打开） | 无 |
dup3 | 是 | 是（若已打开） | 支持 flags |
注意事项
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原子性：
dup2的关闭和复制操作是原子性的，避免了竞争条件。 -
错误处理：若
oldfd无效，所有函数会返回EBADF错误。 -
性能：文件描述符复制是一个轻量级操作，通常只修改描述符表。
通过理解这些函数的行为，能够更加灵活地管理文件描述符，实现输入输出重定向、管道通信等功能。