Linux：Bash中的文件描述符

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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，他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（这是默认的行为，除非使用了重定向、管道等命令进行了重定向），这实际上指的就是当前的终端界面。

        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

        子进程被创建时会继承父进程的文件描述符，为了验证这一点，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进程打开一个文件描述符3，指向output.txt文件
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