Linux操作系统pipe()-execlp()-dup2()分析

本文详细解析了Linux系统中管道(pipe)、execlp及dup2函数的使用,通过实例展示了如何利用这些系统调用实现sort、uniq及wc命令间的通信,完成数据处理流程。

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Linux操作系统pipe()-execlp()-dup2()分析

目标:使用Linux system call API实现sort | uniq | wc -l < data.txt。

涉及的知识点:

  1. 使用C调用shell命令
  2. 使用管道,在各命令间通信
  3. 标准输入输出重定向

execlp()执行shell command

头文件:<unistd.h>

函数原型:

       int execlp(const char *file, const char *arg, ... (char  *) NULL);

函数说明:

       execlp()会PATH环境变量所指的目录中查找符合参数file的文件名,找到后便执行该文件。arg为命令名,后跟参数列表,可以为空(NULL)。最后一个参数必须用空指针(NULL)作结束。如果函数调用成功,进程自己的执行代码就会变成加载程序的代码,execlp()后边的代码也就不会执行了。

使用示例:

       execlp(“/bin/ls”, “ls”, NULL);

pipe()管道

头文件:< unistd.h>

函数原型:

       int pipe(int pipefd[2]);

函数说明:

       pipe()会创建一个管道,它仅能实现单向通信,引用于进程间通信中。函数返回两个整型值分别指向管道输出输出文件描述符,其中pipefd[0]指向管道读端,而pipefd[1]指向管道的写端。写入管道的数据由kernel中开的缓冲区存储,直到另一端读取。也就是说这个缓冲区有大小,一般为4k bytes。

使用示例:

       int fd[2];

       if(pipe(fd) == -1){

              perror();

              return ;

       }

       使用fork()克隆子进程时,父进程创建出的管道的文件描述符被复制,所以子进程也有相同文件描述副本,两者指向同一个管道。两进程可通过此管道完成通信。本次实验目的为将sort命令输出通过管道传递数据,作为uniq的输入,同理,uniq的输出作为wc的输入。

       现在剩下最后一个问题,uniq,wc命令输入方式由两种,标准输入或文件。通过文件的方式,需要先读取命令的输出,写至文件中,最后让下一命令读该文件。此方式操作较为麻烦,还需要处理中间文件。另一种方式,使用重定向。这里需要使用dup2()的方法。

dup2()实现重定向

头文件:<unistd.h>

函数原型:

       int dup2(int oldfd, int newfd);

       int dup(int oldfd);

函数说明:

       先说dup(),此系统调用会创建一个oldfd文件描述符副本,并使用一个最小未使用的整数作为新的文件描述符。此后,oldfd和newfd可以互换使用,它们指向同一个打开的文件描述符,因此共享文件偏移和文件状态标志。但两个文件描述符不会共享文件描述符的标志位。函数返回值为newfd。

       那么使用dup怎么重定向呢?

       close(1);                              //关闭标准输出文件描述符

       int newfd = dup(oldfd);       //此时,newfd为1

       printf(“hello,world!\n”);       //此时,本应输出至stdout,被重定向至oldfd中。

       再说dup2(),该函数于dup类似。不同的是,dup2()不会使用最小未使用整数作为新的文件描述符,而是使用参数newfd的文件描述符作为newfd。如果此时的参数newfd已被打开暂用,则该函数会先关闭它,然后再使用。函数返回值是参数newfd的文件描述符。本例正是使用该函数。

使用示例:

       dup2(oldfd, STDOUT_FILENO);   //仅一句,已实现STDOUT_FILENO重定向至oldfd。

本例目标源码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>		//pipe, fork
#include <string.h>		//strlen
#include <sys/wait.h>		//wait
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>

int main(int argc[], char *argv[])
{
	int fd1[2], fd2[2];				//pipe
	pid_t fpid;
	
	if(pipe(fd1) == -1){
		perror("pipe fd1");
		return 1;
	}
	fpid = fork();
	if(fpid < 0){
		perror("fork");
		return 1;
	}
	if(fpid == 0){		// child process
		printf("sort process, id is %d\n", getpid());
		if(dup2(fd1[1], STDOUT_FILENO) == -1){
			perror("dup2");
			return 1;
		}	
		close(fd1[0]);		
		if(execlp("/usr/bin/sort", "sort", NULL) == -1){
			perror("sort");
			return 1;
		}
		//close(fd1[1]);
	}

	if(pipe(fd2) == -1){
		perror("pipe fd2");
		close(fd1[0]); close(fd1[1]);
		return 1;
	}
	fpid = fork();
	if(fpid < 0){
		perror("fork");
		close(fd1[0]); close(fd1[1]);
		close(fd2[0]); close(fd2[1]);
		return 1;
	}
	if(fpid == 0){		// child process
		printf("uniq process, id is %d\n", getpid());
		if(dup2(fd1[0], STDIN_FILENO) == -1){
			perror("dup2");
			return 1;
		}
		if(dup2(fd2[1], STDOUT_FILENO) == -1){
			perror("dup2");
			return 1;
		}
		close(fd1[1]);
		close(fd2[0]);
		if(execlp("/usr/bin/uniq", "uniq", NULL) == -1){
			perror("uniq");
			return 1;
		}
	}
	
	fpid = fork();
	if(fpid < 0){
		perror("fork");
		return 1;
	}
	if(fpid == 0){		// child process
		printf("wc process, id is %d\n", getpid());
		if(dup2(fd2[0], STDIN_FILENO) == -1){
			perror("dup2");
			return 1;
		}
		close(fd2[1]);
		close(fd1[0]);
		close(fd1[1]);
		if(execlp("/usr/bin/wc", "wc", "-l", NULL) == -1){
			perror("wc");
			return 1;
		}
	}
	
	close(fd1[0]);close(fd1[1]);
	close(fd2[0]);close(fd2[1]);
	wait(NULL);

	return 0;
}

<think>嗯,用户问我关于dup2(oldfd, newfd)的功能。首先,我需要回忆一下这个系统调用的作用。记得在Unix/Linux系统中,dup系列函数是用来复制文件描述符的。dup2应该是其中一个,可能和重定向有关。 用户之前问过文件空洞的问题,现在转向文件描述符的操作,可能是在学习系统编程或文件I/O相关的内容。他们可能是在写程序时需要用到重定向输入输出,比如将标准输出重定向到文件,或者处理管道之类的。 我需要先确定dup2的具体功能。根据记忆,dup2的作用是复制oldfd到newfd,如果newfd已经打开,会先关闭它。这样newfd就会指向oldfd相同的文件表项。这样之后,操作newfd就相当于操作oldfd指向的文件。 比如,如果想把标准输出(文件描述符1)重定向到一个文件,可以先打开文件得到fd,然后用dup2(fd, 1),这样之后printf就会写入到文件里。这时候原来的标准输出会被关闭,新的fd 1指向文件。 不过要确认是否正确。可能需要回忆系统调用的具体行为。比如,如果newfd等于oldfd,应该是不做任何操作,直接返回newfd。而如果newfd已经打开,会先关闭,然后复制。这确保了newfd指向和oldfd相同的文件。 用户可能需要知道dup2的使用场景,比如在实现shell的重定向、管道,或者在多线程环境中复制文件描述符以避免竞争条件。还有可能涉及错误处理,比如oldfd无效时返回-1,设置errno。 另外要注意,dup2dup的区别在于dup总是返回最小的可用文件描述符,而dup2可以指定目标文件描述符。这给了更多控制权,特别是在需要精确控制fd的情况下。 用户可能在使用时遇到问题,比如忘记检查返回值,或者在关闭文件描述符时出现问题。需要提醒他们正确管理文件描述符,避免泄漏。 总结一下,回答应该包括:功能描述,使用场景,与dup的区别,以及注意事项和示例。确保语言清晰,结构合理,帮助用户理解如何正确使用dup2,并避免常见错误。</think>### `dup2(oldfd, newfd)` 的功能详解 `dup2()` 是 Unix/Linux 系统中的系统调用,主要用于**复制文件描述符**并精确控制新描述符的值。它的核心功能是:**将 `oldfd` 指向的文件资源复制到 `newfd`,并确保 `newfd` 最终与 `oldfd` 指向同一文件/资源**。以下是详细说明: --- #### **1. 核心行为** - **复制文件描述符**: `newfd` 会被强制指向 `oldfd` 所关联的文件表项(包括文件偏移量、访问模式等元信息)。 - **自动关闭原有 `newfd`**: 若 `newfd` 已打开(即已被分配给其他文件),`dup2()` 会先自动关闭 `newfd` 当前关联的文件,再重新绑定到 `oldfd`。 - **原子性操作**: 关闭原有 `newfd` 和复制 `oldfd` 到 `newfd` 是原子操作,避免多线程环境下的竞态条件。 --- #### **2. 函数原型** ```c #include <unistd.h> int dup2(int oldfd, int newfd); ``` - **返回值**: - 成功时返回 `newfd`; - 失败时返回 `-1`,并设置 `errno`(例如 `EBADF` 表示 `oldfd` 无效)。 --- #### **3. 典型应用场景** ##### **3.1 输入/输出重定向** - **将标准输出重定向到文件**: ```c int fd = open("output.txt", O_WRONLY | O_CREAT, 0644); dup2(fd, STDOUT_FILENO); // STDOUT_FILENO 是标准输出的文件描述符(通常为1) close(fd); // 关闭临时文件描述符 printf("这行内容将写入output.txt"); // 原标准输出被替换 ``` ##### **3.2 管道通信** - **父子进程间管道通信**: ```c int pipefd[2]; pipe(pipefd); // 创建管道 pid_t pid = fork(); if (pid == 0) { // 子进程 close(pipefd[0]); // 关闭读端 dup2(pipefd[1], STDOUT_FILENO); // 子进程的标准输出指向管道写端 execlp("ls", "ls", NULL); } else { // 父进程 close(pipefd[1]); // 关闭写端 dup2(pipefd[0], STDIN_FILENO); // 父进程的标准输入指向管道读端 execlp("wc", "wc", "-l", NULL); // 统计行数 } ``` ##### **3.3 文件描述符备份与恢复** - **临时重定向后恢复原状态**: ```c int saved_stdout = dup(STDOUT_FILENO); // 备份标准输出 int fd = open("log.txt", O_WRONLY); dup2(fd, STDOUT_FILENO); // 重定向到文件 printf("写入日志"); // 输出到log.txt dup2(saved_stdout, STDOUT_FILENO); // 恢复标准输出 close(saved_stdout); ``` --- #### **4. 与 `dup()` 的区别** | **特性** | `dup(oldfd)` | `dup2(oldfd, newfd)` | |----------------|-------------------------------|------------------------------------| | **目标描述符** | 系统自动选择最小可用描述符 | 强制指定目标描述符为 `newfd` | | **关闭行为** | 不主动关闭任何描述符 | 若 `newfd` 已打开,先关闭再复制 | | **控制精度** | 适用于简单复制 | 适用于需精确控制描述符的场景 | --- #### **5. 注意事项** 1. **描述符有效性**: - `oldfd` 必须是已打开的有效文件描述符。 - 若 `oldfd == newfd`,`dup2()` 直接返回 `newfd`(不执行任何操作)。 2. **错误处理**: - 检查返回值是否为 `-1`,并根据 `errno` 处理错误(如 `EBADF`、`EINTR`)。 3. **资源释放**: - 复制完成后,通常需要关闭原始描述符(如 `oldfd`),避免描述符泄漏。 --- #### **6. 底层机制** - **共享文件表项**: `oldfd` 和 `newfd` 指向同一文件表项(`struct file`),因此共享文件偏移量和状态标志(如 `O_APPEND`)。 - **独立文件描述符标志**: 文件描述符的私有标志(如 `FD_CLOEXEC`)不会被复制,需单独设置。 --- ### **总结** `dup2(oldfd, newfd)` 的核心功能是**精确控制文件描述符的复制与替换**,常用于: - 输入/输出重定向(如 Shell 中的 `>` 和 `|`) - 管道通信 - 描述符备份与恢复 其关键优势在于**原子性操作**和**强制指定目标描述符**,是系统编程中管理文件描述符的重要工具。
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