linux内核中的dup系统调用

cheng029

内核版本：2.6.14

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        dup系统调用的服务例程为sys_dup函数，定义在fs/fcntl.c中。sys_dup()的代码也许称得上是最简单的之一了，但是就是这么一个简单的系统调用，却成就了linux系统最著名的一个特性：输入/输出重定向。sys_dup()的主要工作就是用来“复制”一个打开的文件号，并使两个文件号都指向同一个文件，下面我们来分析一下它的代码。

1.sys_dup源码分析

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  asmlinkage long sys_dup(unsigned int fildes)//sys_dup函数的参数，即fildes，是文件描述符fd  
  {  
      int ret = -EBADF;  
      struct file * file = fget(fildes);//通过文件描述符找到对应的文件  
    
    
      if (file)  
          ret = dupfd(file, 0);//分配一个新的文件描述符fd，并将fd和file联系起来  
      return ret;  
  }  

  
  

1.1fget(fildes)

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  struct file fastcall *fget(unsigned int fd)  
  {  
      struct file *file;  
      struct files_struct *files = current->files;//获得当前进程的打开文件表  
    
    
      rcu_read_lock();  
      file = fcheck_files(files, fd);//根据fd从打开文件表files里取出相应的file结构变量  
      if (file) {  
          if (!rcuref_inc_lf(&file->f_count)) {  //增加引用  
              /* File object ref couldn't be taken */  
              rcu_read_unlock();  
              return NULL;  
          }  
      }  
      rcu_read_unlock();  
    
    
      return file;  
  }  
  static inline struct file * fcheck_files(struct files_struct *files, unsigned int fd)  
  {  
      struct file * file = NULL;  
      struct fdtable *fdt = files_fdtable(files);  
    
    
      if (fd < fdt->max_fds)  
          file = rcu_dereference(fdt->fd[fd]);  
      return file;  
  }  

  
  

1.2dupfd(file, 0)

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  static int dupfd(struct file *file, unsigned int start)  
  {  
      struct files_struct * files = current->files;  
      struct fdtable *fdt;  
      int fd;  
    
    
      spin_lock(&files->file_lock);  
      fd = locate_fd(files, file, start);//分配文件描述符  
      if (fd >= 0) {  
          /* locate_fd() may have expanded fdtable, load the ptr */  
          fdt = files_fdtable(files);//获得文件描述符表  
          FD_SET(fd, fdt->open_fds);//设置打开文件标记  
          FD_CLR(fd, fdt->close_on_exec);  
          spin_unlock(&files->file_lock);  
          fd_install(fd, file);//建立fd和file的联系，之后通过fd就可以找到file  
      } else {  
          spin_unlock(&files->file_lock);  
          fput(file);  
      }  
    
    
      return fd;  
  }  

  
  

2.内核初始化中的相关源码分析

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  static int init(void * unused)  
  {  
      ...  
      if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)  
          printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\n");  
      //打开控制台，这样init进程就拥有一个控制台，并可以从中读取输入信息，也可以向其中写入信息  
    
      (void) sys_dup(0);//调用dup打开/dev/console文件描述符两次，这样控制太设备也可以供表述输出和标准错误使用(文件描述符为1和2)  
      (void) sys_dup(0);  
      //假设sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) 成功执行，init进程就拥有3个文件描述符(标准输入、标准输出和标准错误)  
      ...  
  }  

  
  

3.系统重定向

        我们通过一个简单的来讲解重定向。
        当我们在shell下输入如下命令：“echo hello!”，这条命令要求shell进程执行一个可执行文件echo，参数为“hello!”。当shell接收到命令之后，先找到bin/echo，然后fork()出一个子进程让他执行bin/echo，并将参数传递给它，而这个进程从shell继承了三个标准文件，即标准输入（stdin），标准输出（stdout）和标准出错信息（stderr），它们三个的文件号分别为0、1、2。而至于echo进程的工作很简单，就是将参数“hello!”写道标准输出文件中去，通常都是我们的显示器上。但是如果我们将命令改成“echo hello! > foo”，则在执行时输出将会被重定向到磁盘文件foo中。我们假定在此之前该shell进程只有三个标准文件打开，文件号分别为0、1、2，以上命令行将按如下序列执行：

• (1) 打开或创建磁盘文件foo，如果foo中原来有内容，则清除原来内容，其文件号为3。
• (2) 通过dup()复制文件stdout，即将文件号1出的file结构指针复制到文件号4处，目的是将stdout的file指针暂时保存一下
• (3) 关闭stdout，即1号文件，但是由于4号文件对stdout也同时有个引用，所以stdout文件并未真正关闭，只是腾出1号文件号位置。
• (4) 通过dup()，复制3号文件（即磁盘文件foo），由于1号文件关闭，其位置空缺，故3号文件被复制到1号，即进程中原来指向stdout的指针指向了foo。
• (5) 通过系统调用fork()和exec()创建子进程并执行echo，子进程在执行echo前夕关闭3号和4号文件，只留下0、1、2三个文件，请注意，这时的1号文件已经不是stdout而是磁盘文件foo了。当echo想向stdout文件写入“hello!”时自然就写入到了foo中。
• (6) 回到shell后，关闭指向foo的1号与3号文件，再用dup()和close()将2号恢复至stdout，这样shell就恢复了0、1、2三个标准输入/输出文件。
  

        由此可见，当echo程序（或其他）在运行的时候并不知道stdout（对于stdin和stderr同样）指向什么，进程与实际输出文件或设备的结合是在运行时由其父进程“包办”的。这样就简化了子进程的程序设计，因为在设计时只要跟三个逻辑上存在的文件打交道就可以了，类似于面向对象中的多态和重载。

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