Linux：文件描述符详解

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        Linux中的所有进程，都拥有自己的文件描述符(File Descriptor, FD)，它是操作系统在管理进程和文件时的一种抽象概念。每个文件描述符由一个非负整数表示，用来标识进程已打开的文件、输入输出流、网络套接字等资源。一个进程可以打开的文件描述符是有上限的，可以通过ulimit命令查询，如例1所示。

# 例1
zhangchen@test:~$ ulimit -n # 查询当每个进程的文件描述符数量上限
1048576

        每个正在运行的进程，都会在虚拟文件系统的目录/proc下用一个子目录表示，目录名为进程的id号。当一个进程创建时，操作系统会为其分配一个未使用的id号并在目录/proc下创建相应的目录；当一个进程执行完毕退出时，操作系统会删除相应的目录并回收id号。

        在目录/proc/pid/fd(pid指具体的进程id号)中，可以找到名为0、1、2...的链接文件，它们指向了相应的文件描述符代表的资源，例2展示了如何查看当前Bash进程的文件描述符。

# 例2
zhangchen@test:~$ ps   # 查询Bash进程的id号PID TTY          TIME CMD
2556994 pts/3    00:00:00 bash
2557252 pts/3    00:00:00 ps
zhangchen@test:~$ ls -al /proc/2556994/fd   # 显示虚拟文件系统中bash进程的文件描述符目录
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 13:53 0 -> /dev/pts/3
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 13:53 1 -> /dev/pts/3
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 13:53 2 -> /dev/pts/3
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 13:53 255 -> /dev/pts/3

        其中文件描述符0、1、2尤为重要，它们是所有进程在创建时就默认拥有的文件描述符，分别表示标准输入(stdin)、标准输出(stdout)和标准错误输出(stderr)。从例2中可以看出它们都指向了/dev/pts/0这个伪终端设备(Pseudo-Terminal Slave)，这是因为该终端是从GUI界面启动的（ssh远程连接的终端也是如此），如果是利用Ctrl+Alt+F*启动的终端，则会显示是/dev/tty*之类的设备。

        在目录/dev下可以找到三个链接文件stdin、stdout和stderr，它们指向了当前进程的文件描述符0、1、2，如例3所示。

# 例3
zhangchen@test:~$ ls -al /dev/std* # 查询标准输入、输出、错误设备
lrwxrwxrwx 1 root root 15  7月 12 17:37 /dev/stderr -> /proc/self/fd/2
lrwxrwxrwx 1 root root 15  7月 12 17:37 /dev/stdin -> /proc/self/fd/0
lrwxrwxrwx 1 root root 15  7月 12 17:37 /dev/stdout -> /proc/self/fd/1

        其中/proc/self是一个链接文件，指向了当前进程的目录，也就是说如果使用ls /proc命令，则显示其指向的是进程ls的目录，如例4所示。

# 例4
zhangchen@test:~$ ls -al /proc/self  # 查询当前进程(即ls)的信息
lrwxrwxrwx 1 root root 0  7月 12 17:37 /proc/self -> 2557940 # 指向了/proc/2557940zhangchen@test:~$ ls -al /proc/self  # 查询当前进程(即ls)的信息
lrwxrwxrwx 1 root root 0  7月 12 17:37 /proc/self -> 2557972 # 指向了/proc/2557972zhangchen@test:~$ ls -al /proc/self  # 查询当前进程(即ls)的信息
lrwxrwxrwx 1 root root 0  7月 12 17:37 /proc/self -> 2557975 # 指向了/proc/2557975

        从例4中可以看出 ，连续三次使用ls命令得到的结果是不同的，这是因为每次执行ls命令都会创建一个新的进程并分配给一个未使用的id号（它们可能相等，因为执行完毕后id号会被回收，但在该例中不相等）。
        有些偏题了，我们回到文件描述符，当创建了一个新的终端并查询其文件描述符时，会发现文件描述符0、1、2指向了另一个伪终端设备/dev/pts/8，如例5所示。

# 例5
zhangchen@test:~$ ps   # 查询Bash进程的id号PID TTY          TIME CMD
2559706 pts/3    00:00:00 bash
2559728 pts/3    00:00:00 ps
zhangchen@test:~$ ls -al /proc/2559706/fd   # 显示虚拟文件系统中Bash进程的文件描述符目录
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 13:54 0 -> /dev/pts/8
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 13:54 1 -> /dev/pts/8
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 13:54 2 -> /dev/pts/8
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 13:54 255 -> /dev/pts/8

        默认情况下，子进程被创建并替换后会继承父进程的文件描述符（可以通过设置FD_CLOEXEC标志改变替换后是否继承文件描述符），为了进行验证，首先介绍一个命令exec。exec命令可以用于进程替换，也可用于操作Bash进程的文件描述符，如例6所示。在此基础上如果使用sleep 100 &命令，查询其文件描述符会发现与Bash进程的相同，如例7所示。

# 例6
zhangchen@test:~$ exec 3> output.txt   # 在当前Bash进程以写方式打开output.txt文件，分配文件描述符3
zhangchen@test:~$ ps   # 查询Bash进程的id号PID TTY          TIME CMD
2559706 pts/3    00:00:00 bash
2559947 pts/3    00:00:00 ps
zhangchen@test:~$ ls -al /proc/2559706/fd   # 显示虚拟文件系统中Bash进程的文件描述符目录
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 13:54 0 -> /dev/pts/8
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 13:54 1 -> /dev/pts/8
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 13:54 2 -> /dev/pts/8
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 13:54 255 -> /dev/pts/8
l-wx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 17:02 3 -> /home/zhangchen/output.txt
# 例7
zhangchen@test:~$ sleep 100 & # 一个后台执行的测试命令
[1] 2560074
zhangchen@test:~$ ls -al /proc/2560074/fd   # 显示虚拟文件系统中sleep进程的文件描述符目录
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 17:03 0 -> /dev/pts/8
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 17:03 1 -> /dev/pts/8
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 17:03 2 -> /dev/pts/8
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 17:03 255 -> /dev/pts/8
l-wx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 17:03 3 -> /home/zhangchen/output.txt

        例8展示了在Python中打开一个文件，并显示其文件描述符。

# 例8
# 文件：test.pyimport time
file = open('example.txt', 'w') # 打开文件
fd = file.fileno() # 获取文件描述符
print("File descriptor assigned: {}".format(fd)) # 输出文件描述符
time.sleep(60) # 等待60秒
file.close() # 关闭文件zhangchen@test:~$ python test.py & # 一个后台执行的Python进程
[2] 11491
File descriptor assigned: 3
zhangchen@test:~$ ls -al /proc/11491/fd   # 显示虚拟文件系统中python进程的文件描述符目录
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 17:06 0 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 17:06 1 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 17:06 2 -> /dev/pts/0
l-wx------ 1 zhangchen test 64  9月 20 17:06 3 -> /home/zhangchen/example.txt

        看起来像是Linux会选择优先当前未使用最小的文件描述符，这是对的！但是否Python进程只打开过example.txt一个文件？答案是否定的（显然，Python进程肯定还打开了test.py文件）。

        一个命令的执行可能牵涉到多次打开文件、关闭文件的过程，例9使用了strace命令观察了cat命令执行的过程。

# 例9
zhangchen@test:~$ strace cat tt
execve("/usr/bin/cat", ["cat", "tt"], 0x7fff10389408 /* 67 vars */) = 0
brk(NULL)                               = 0x1472000
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f8c9f2f0000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/opt/Synopsys/LC2018/lc/O-2018.06-SP1/linux64/lc/shlib/tls/x86_64/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = -1 ENOENT (No such file or directory)
stat("/opt/Synopsys/LC2018/lc/O-2018.06-SP1/linux64/lc/shlib/tls/x86_64", 0x7ffe8d6e3750) = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/opt/Synopsys/LC2018/lc/O-2018.06-SP1/linux64/lc/shlib/tls/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = -1 ENOENT (No such file or directory)
stat("/opt/Synopsys/LC2018/lc/O-2018.06-SP1/linux64/lc/shlib/tls", 0x7ffe8d6e3750) = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/opt/Synopsys/LC2018/lc/O-2018.06-SP1/linux64/lc/shlib/x86_64/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = -1 ENOENT (No such file or directory)
stat("/opt/Synopsys/LC2018/lc/O-2018.06-SP1/linux64/lc/shlib/x86_64", 0x7ffe8d6e3750) = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/opt/Synopsys/LC2018/lc/O-2018.06-SP1/linux64/lc/shlib/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = -1 ENOENT (No such file or directory)
stat("/opt/Synopsys/LC2018/lc/O-2018.06-SP1/linux64/lc/shlib", {st_mode=S_IFDIR|0777, st_size=4096, ...}) = 0
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=126574, ...}) = 0
mmap(NULL, 126574, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7f8c9f2d1000
close(3)                                = 0
open("/lib64/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0`&\2\0\0\0\0\0"..., 832) = 832
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=2156240, ...}) = 0
mmap(NULL, 3985920, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7f8c9ed02000
mprotect(0x7f8c9eec5000, 2097152, PROT_NONE) = 0
mmap(0x7f8c9f0c5000, 24576, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1c3000) = 0x7f8c9f0c5000
mmap(0x7f8c9f0cb000, 16896, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f8c9f0cb000
close(3)                                = 0
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f8c9f2d0000
mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f8c9f2ce000
arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7f8c9f2ce740) = 0
mprotect(0x7f8c9f0c5000, 16384, PROT_READ) = 0
mprotect(0x60b000, 4096, PROT_READ)     = 0
mprotect(0x7f8c9f2f1000, 4096, PROT_READ) = 0
munmap(0x7f8c9f2d1000, 126574)          = 0
brk(NULL)                               = 0x1472000
brk(0x1493000)                          = 0x1493000
brk(NULL)                               = 0x1493000
open("/usr/lib/locale/locale-archive", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=106172832, ...}) = 0
mmap(NULL, 106172832, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7f8c987c0000
close(3)                                = 0
fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 0), ...}) = 0
open("tt", O_RDONLY)                    = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0664, st_size=6, ...}) = 0
fadvise64(3, 0, 0, POSIX_FADV_SEQUENTIAL) = 0
read(3, "test\n\n", 65536)              = 6
write(1, "test\n\n", 6test)                 = 6
read(3, "", 65536)                      = 0
close(3)                                = 0
close(1)                                = 0
close(2)                                = 0
exit_group(0)                           = ?
+++ exited with 0 +++

        可以看出，cat命令在执行时，打开过三类文件（标准输入、输出和错误不用打开，因为它们继承自父进程），而且文件描述符的值其实就是系统调用open函数的返回值。

# 动态链接相关的文件
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3 # 分配文件描述符3
*****
close(3) # 关闭文件描述符3
open("/lib64/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3 # 分配文件描述符3
*****
close(3) # 关闭文件描述符3# 本地语言环境文件
open("/usr/lib/locale/locale-archive", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3 # 分配文件描述符3
*****
close(3) # 关闭文件描述符3# 目标文件(tt)
open("tt", O_RDONLY) = 3 # 分配文件描述符3
*****
close(3) # 关闭文件描述符3

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