看到ChinaUnix(CU)上的一个帖子后，觉得自己对dup和dup2特别是后者的理解还是有欠缺的，这两个接口看起来很简单，但是理解起来也真的并不是那么容易。

相信大部分在Unix/Linux下编程的程序员手头上都有《Unix环境高级编程》(APUE)这本超级经典巨著。作者在该书中讲解dup/dup2之前曾经讲过“文件共享”，这对理解dup/dup2还是很有帮助的。这里做简单摘录以备在后面的分析中使用：
Stevens said:
(1) 每个进程在进程表中都有一个记录项，每个记录项中有一张打开文件描述符表，可将视为一个矢量，每个描述符占用一项。与每个文件描述符相关联的是：
   (a) 文件描述符标志。
   (b) 指向一个文件表项的指针。
(2) 内核为所有打开文件维持一张文件表。每个文件表项包含：
   (a) 文件状态标志(读、写、增写、同步、非阻塞等)。
   (b) 当前文件位移量。
   (c) 指向该文件v节点表项的指针。
图示：
   文件描述符表
   ————
fd0  0   | p0  ————-> 文件表0 ———> vnode0
   ————
fd1  1   | p1  ————-> 文件表1 ———> vnode1
   ————
fd2  2   | p2 
   ————
fd3  3   | p3 
   ————
… …
… …
   ————

一、单个进程内的dup和dup2
假设进程A拥有一个已打开的文件描述符fd3，它的状态如下：
  进程A的文件描述符表(before dup2)
   ————
fd0  0   | p0 
   ————
fd1  1   | p1  ————-> 文件表1 ———> vnode1
   ————
fd2  2   | p2 
   ————
fd3  3   | p3  ————-> 文件表2 ———> vnode2
   ————
… …
… …
   ————

经下面调用：
n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);后进程状态如下：

进程A的文件描述符表(after dup2)
   ————
fd0  0   | p0 
   ————
n_fd 1   | p1  ————
   ————               \
fd2  2   | p2                 \
   ————                 _\|
fd3  3   | p3  ————-> 文件表2 ———> vnode2
   ————
… …
… …
   ————
解释如下：
n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO)表示n_fd与fd3共享一个文件表项(它们的文件表指针指向同一个文件表项)，n_fd在文件描述符表中的位置为STDOUT_FILENO的位置，而原先的STDOUT_FILENO所指向的文件表项被关闭，我觉得上图应该很清晰的反映出这点。按照上面的解释我们就可以解释CU中提出的一些问题：
(1) "dup2的第一个参数是不是必须为已打开的合法filedes？" — 答案：必须。
(2) "dup2的第二个参数可以是任意合法范围的filedes值么？" — 答案：可以，在Unix其取值区间为[0,255]。

另外感觉理解dup2的一个好方法就是把fd看成一个结构体类型，就如上面图形中画的那样，我们不妨把之定义为：
struct fd_t {
 int index;
 filelistitem *ptr;
};
然后dup2匹配index，修改ptr，完成dup2操作。

在学习dup2时总是碰到“重定向”一词，上图完成的就是一个“从标准输出到文件的重定向”，经过dup2后进程A的任何目标为STDOUT_FILENO的I/O操作如printf等，其数据都将流入fd3所对应的文件中。下面是一个例子程序：
#define TESTSTR "Hello dup2\n"
int main() {
        int     fd3;

        fd3 = open("testdup2.dat", 0666);
        if (fd < 0) {
                printf("open error\n");
                exit(-1);
        }

        if (dup2(fd3, STDOUT_FILENO) < 0) {       
                printf("err in dup2\n");
        }
        printf(TESTSTR);
        return 0;
}
其结果就是你在testdup2.dat中看到"Hello dup2"。

二、重定向后恢复
CU上有这样一个帖子，就是如何在重定向后再恢复原来的状态？首先大家都能想到要保存重定向前的文件描述符。那么如何来保存呢，象下面这样行么？
int s_fd = STDOUT_FILENO;
int n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);
还是这样可以呢？
int s_fd = dup(STDOUT_FILENO);
int n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);
这两种方法的区别到底在哪呢？答案是第二种方案才是正确的，分析如下：按照第一种方法，我们仅仅在"表面上"保存了相当于fd_t（按照我前面说的理解方法）中的index，而在调用dup2之后，ptr所指向的文件表项由于计数值已为零而被关闭了，我们如果再调用dup2(s_fd, fd3)就会出错(出错原因上面有解释)。而第二种方法我们首先做一下复制，复制后的状态如下图所示:
进程A的文件描述符表(after dup)
   ————
fd0  0   | p0 
   ————
fd1  1   | p1  ————-> 文件表1 ———> vnode1
   ————                 /|
fd2  2   | p2               /
   ————             /
fd3  3   | p3  ————-> 文件表2 ———> vnode2
   ————          /
s_fd 4   | p4  ——/ 
   ————
… …
… …
   ————

调用dup2后状态为：
进程A的文件描述符表(after dup2)
   ————
fd0  0   | p0 
   ————
n_fd 1   | p1  ————
   ————               \
fd2  2   | p2                \
   ————                _\|
fd3  3   | p3  ————-> 文件表2 ———> vnode2
   ————
s_fd 4   | p4  ————->文件表1 ———> vnode1
   ————
… …
… …
   ————
dup(fd)的语意是返回的新的文件描述符与fd共享一个文件表项。就如after dup图中的s_fd和fd1共享文件表1一样。

确定第二个方案后重定向后的恢复就很容易了，只需调用dup2(s_fd, n_fd);即可。下面是一个完整的例子程序：
#define TESTSTR "Hello dup2\n"
#define SIZEOFTESTSTR 11

int main() {
        int     fd3;
        int     s_fd;
        int     n_fd;

        fd3 = open("testdup2.dat", 0666);
        if (fd3 < 0) {
                printf("open error\n");
                exit(-1);
        }

        /* 复制标准输出描述符 */
        s_fd = dup(STDOUT_FILENO);
        if (s_fd < 0) {
                printf("err in dup\n");
        }

        /* 重定向标准输出到文件 */
        n_fd = dup2(fd3, STDOUT_FILENO);
        if (n_fd < 0) {
                printf("err in dup2\n");
        }
        write(STDOUT_FILENO, TESTSTR, SIZEOFTESTSTR);   /* 写入testdup2.dat中 */

        /* 重定向恢复标准输出 */
        if (dup2(s_fd, n_fd) < 0) {
                printf("err in dup2\n");
        }
        write(STDOUT_FILENO, TESTSTR, SIZEOFTESTSTR); /* 输出到屏幕上 */
        return 0;
}
注意这里我在输出数据的时候我是用了不带缓冲的write库函数，如果使用带缓冲区的printf，则最终结果为屏幕上输出两行"Hello dup2"，而文件testdup2.dat中为空，原因就是缓冲区作怪，由于最终的目标是屏幕，所以程序最后将缓冲区的内容都输出到屏幕。

三、父子进程间的dup/dup2
由fork调用得到的子进程和父进程的相同文件描述符共享同一文件表项，如下图所示：
父进程A的文件描述符表
   ————
fd0  0   | p0 
   ————
fd1  1   | p1  ————-> 文件表1 ———> vnode1
   ————                            /|\
fd2  2   | p2                            |
   ————                             |
                                              |
子进程B的文件描述符表                |
   ————                             |
fd0  0   | p0                            |
   ————                             |
fd1  1   | p1  ———————|
   ————
fd2  2   | p2 
   ————
所以恰当的利用dup2和dup可以在父子进程之间建立一条“沟通的桥梁”。这里不详述。

四、小结
灵活的利用dup/dup2可以给你带来很多强大的功能，花了一些时间总结出上面那么多，不知道自己理解的是否透彻，只能在以后的实践中慢慢探索了。

参考资料：
1、《Unix环境高级编程》

近两天稍轻闲了些，便抓紧时间学习、学习再学习。在“APR分析-文件IO篇”，我们只分析了最基本的I/O操作，如文件的open、close、write和read。当然File I/O操作不止这些，在这一篇中我们来看看APR提供的一些高级I/O设施，包括记录锁、I/O多路复用和内存映射文件(内存映射文件将和共享内存一起分析)。

一、记录锁或(区域锁)[注1]
我见过的对记录锁讲解最详细的书就是《Unix高级环境编程》，特别是关于进程、文件描述符和记录锁三者之间关系的讲解更是让人受益匪浅，有此书的朋友一定不要放过哟。这里将其中的三原则摘录到这：

关于记录锁的自动继承和释放有三条规则：
(1) 锁与进程、文件两方面有关。这有两重含意：第一重很明显，当一个进程终止时，它所建立的锁全部释放；第二重意思就不很明显，任何时候关闭一个描述符时，则该进程通过这一描述符可以存访的文件上的任何一把锁都被释放（这些锁都是该进程设置的）。
(2) 由fork产生的子程序不继承父进程所设置的锁。这意味着，若一个进程得到一把锁，然后调用fork，那么对于父进程获得的锁而言，子进程被视为另一个进程，对于从父进程处继承过来的任一描述符，子进程要调用fcntl以获得它自己的锁。这与锁的作用是相一致的。锁的作用是阻止多个进程同时写同一个文件（或同一文件区域）。如果子进程继承父进程的锁，则父、子进程就可以同时写同一个文件。
(3) 在执行exec后，新程序可以继承原执行程序的锁。

话归正题谈APR的记录锁，平心而论APR的提供的加索和解锁接口并没有什么独到的地方，APR之所以将之封装起来，无非是为了提供一个统一的跨平台接口，并且不破坏APR整体代码风格的一致性。APR记录锁源码位置在$(APR_HOME)/file_io/unix目录下flock.c，头文件仍然是apr_file_io.h。apr_file_lock和apr_file_unlock仅提供对整个文件的加锁和解锁，而并不支持对文件中任意范围数据的加锁和解锁。至于该锁是建议锁(advisory lock)还是强制锁(mandatory lock)，需要看具体的平台的实现了。两个函数均利用fcntl实现记录锁功能(前提是所在平台支持fcntl，由于fcntl是POSIX标准，绝大多数平台都支持)。代码中有一处值得鉴赏：
while ((rc = fcntl(thefile->filedes, fc, &l)) < 0 && errno == EINTR)
            continue;
这里这么做的原因就是考虑到fcntl的调用可能被某信号中断，一旦中断我们去要重启fcntl函数。

二、I/O多路复用[注2]
在经典的《Unix网络编程第1卷》Chapter 6中作者详细介绍了五种I/O模型，分别为：
 - blocking I/O
 - nonblocking I/O
 - I/O multiplexing (select and poll)
 - signal driven I/O (SIGIO)
 - asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)
作者同时对这5种I/O模型作了很详细的对比分析，很值得一看。这里所说的I/O多路复用就是第三种模型，它既解决了Blocking I/O数据处理不及时，又解决了Non-Blocking I/O采用轮旬的CPU浪费问题，同时它与异步I/O不同的是它得到了各大平台的广泛支持。

APR I/O多路复用源码主要在$(APR_HOME)/poll/unix目录下的poll.c和select.c中，头文件为apr_poll.h。APR提供统一的apr_poll接口，但是apr_pollset_t结构定义和apr_poll的实现则根据宏POLLSET_USES_SELECT、POLL_USES_POLL和POLLSET_USES_POLL的定义与否而不同。这里拿poll的实现(That is 使用poll来实现apr_poll及apr_pollset_xx相关，与之对应的是使用select来实现apr_poll及apr_pollset_xx相关)来分析：在poll的实现下，apr_pollset_t的定义如下：
/* in poll.c */
struct apr_pollset_t
{
    apr_pool_t *pool;
    apr_uint32_t nelts;
    apr_uint32_t nalloc;
    struct pollfd *pollset;
    apr_pollfd_t *query_set;
    apr_pollfd_t *result_set;
};

统一的apr_pollfd_t定义如下：
/* in apr_poll.h */
struct apr_pollfd_t {
    apr_pool_t *p;              /* associated pool */
    apr_datatype_e desc_type;   /* descriptor type */
    apr_int16_t reqevents;      /* requested events */
    apr_int16_t rtnevents;      /* returned events */
    apr_descriptor desc;        /* @see apr_descriptor */
    void *client_data;          /* allows app to associate context */
};
把数据结构定义贴出来便于后面分析时参照理解。

假设我们像这样apr_pollset_create(&mypollset, 10, p, 0)调用，那么在apr_pollset_create后，我们可以用图示来表示mypollset变量的状态：
mypollset
——-
nalloc  —-> 10 /* 该mypollset的“容量”，在create的时候由参数指定 */
——-
nelts   —-> 0  /* 刚初始化，mypollset中并没有任何element，之后每add一次，nelts就+1 */
——-                            
                        ———————————————
pollset ———>  pollset[0] | pollset[1] |…| pollset[nalloc-1]
                        ———————————————
——-
                        —————————————————–
query_set ———>  query_set[0] | query_set[1] |…| query_set[nalloc-1]
                       —————————————————–
——-
                       ———————————————————
result_set ———>  result_set[0] | result_set[1] |…| result_set[nalloc-1]
                       ———————————————————
——-

pollset、query_set和result_set这几个集合的关系通过下图说明：
apr_pollfd_t *descriptor —> [pollset_add] ——–> query_set —— [pollset_poll] —–> result_set (输出)
                                                     |                                                                                             /|\
                                                      ——————-> pollset —— [pollset_poll] ——————–
apr_pollset_xx系列是改版后APR I/O复用新增的接口集，它以apr_pollset_t作为其管理的基本单位，其中apr_pollset_poll用于监视pollset中的所有descriptor(s)。而apr_poll则是旧版的APR I/O复用接口，它同样可以实现apr_pollset_poll的功能，只是它的基本管理单位是apr_pollfd_t，其相关函数还包括apr_poll_setup、apr_poll_socket_add等在apr-1.1.1版中已看不到的几个接口。新版本中建议使用apr_pollset_poll，起码APR的测试用例(testpoll.c)是这么做的。

select实现的思路与poll实现的思路是一致的，只是apr_pollset_t的结构不同，原因不言自明。

三、总结
由于APR对高级I/O的封装很“薄”，所以基本上没有太多很精致的东西。

四、参考资料
1、《Unix高级环境编程》
2、《Unix网络编程卷1、2》

[注1]
对于Unix，“记录”这个定语也是误用，因为Unix内核根本没有使用文件记录这种概念。一个更适合的术语可能是“区域锁”，因为它锁定的只是文件的一个区域（也可能是整个文件）– 摘自《Unix高级环境编程》。

[注2]
在《Unix网络编程卷1》译者译为"多路复用"，在《Unix高级环境编程》中译者译为"多路转接"，我更倾向于前者。I/O多路复用其英文为"I/O Multiplexing"。