Linux内核分析：dup、dup2的实现

一、首先需要看一下这两个函数的作用：

 #include <unistd.h>

 int dup(int oldfd);
 int dup2(int oldfd, int newfd);

根据manual的解释：

dup：创建一份oldfd的拷贝，使用最小的文件描述符作为新的文件描述符。

dup2：创建一份oldfd的拷贝，使用指定的newfd作为新的文件描述符。

要看这两个函数是怎么实现的，首先得知道Linux对于文件描述符是怎么处理的，参考这篇文章。

二、分析dup

 static inline long
 dup (int fd)
 {
     return sys_dup(fd);
 }

这里看到dup调用了函数sys_dup。

 asmlinkage long sys_dup(unsigned int fildes)
 {
     int ret = -EBADF;
     struct file * file = fget(fildes);

     if (file)
         ret = dupfd(file, );
     return ret;
 }

在sys_dup函数中，关键的就是两步，fget获取指定文件描述符的struct file指针，然后调用dupfd，至于dupfd的具体实现，我们接着往下走。

 struct file fastcall *fget(unsigned int fd)
 {
     struct file *file;
     struct files_struct *files = current->files;

     spin_lock(&files->file_lock);
     file = fcheck_files(files, fd);
     if (file)
         get_file(file);
     spin_unlock(&files->file_lock);
     return file;
 }

可以看到fget函数的实现就是首先获取一个files_struct指针，我们知道files_struct保存了所有打开文件信息（其中current是当前进程的struct task_struct指针），然后加锁，调用fcheck_files，获取file指针，如果file不为空，则调用get_file，下面我们看下这两个函数的实现。

 static inline struct file * fcheck_files(struct files_struct *files, unsigned int fd)
 {
     struct file * file = NULL;

     if (fd < files->max_fds)
         file = files->fd[fd];
     return file;
 }

 #define get_file(x)    atomic_inc(&(x)->f_count)

现在已经可以知道，fcheck_files函数的具体步骤是首先判断给定的文件描述符fd是否小于最大文件描述符max_fds，如果小于，则返回fd数组中对应该fd下标的指针。

get_file的作用是原子的增加f_count，也就是该文件的引用计数（在close的时候会减这个值）。

现在再回到sys_dup中，看一下dumfd的实现。

 static int dupfd(struct file *file, unsigned int start)
 {
     struct files_struct * files = current->files;
     int fd;

     spin_lock(&files->file_lock);
     fd = locate_fd(files, file, start);
     if (fd >= ) {
         FD_SET(fd, files->open_fds);
         FD_CLR(fd, files->close_on_exec);
         spin_unlock(&files->file_lock);
         fd_install(fd, file);
     } else {
         spin_unlock(&files->file_lock);
         fput(file);
     }

     return fd;
 }

该函数的具体步骤如下：

1、通过current->files获取struct files_struct指针。

2、加锁，完成后会解锁。

3、调用locate_fd函数获取一个fd，具体获取规则下面再看。

4、如果获取到的fd>=0，则调用FD_SET、FD_CLR、解锁、fd_install。关键在于fd_install；否则调用解锁、fput。

下面再看一下locate_fd、fd_install、fput的实现。

 /*
  * locate_fd finds a free file descriptor in the open_fds fdset,
  * expanding the fd arrays if necessary.  Must be called with the
  * file_lock held for write.
  */

 static int locate_fd(struct files_struct *files,
                 struct file *file, unsigned int orig_start)
 {
     unsigned int newfd;
     unsigned int start;
     int error;

     error = -EINVAL;
     if (orig_start >= current->signal->rlim[RLIMIT_NOFILE].rlim_cur)
         goto out;

 repeat:
     /*
      * Someone might have closed fd's in the range
      * orig_start..files->next_fd
      */
     start = orig_start;
     if (start < files->next_fd)
         start = files->next_fd;

     newfd = start;
     if (start < files->max_fdset) {
         newfd = find_next_zero_bit(files->open_fds->fds_bits,
             files->max_fdset, start);
     }

     error = -EMFILE;
     if (newfd >= current->signal->rlim[RLIMIT_NOFILE].rlim_cur)
         goto out;

     error = expand_files(files, newfd);
     if (error < )
         goto out;

     /*
      * If we needed to expand the fs array we
      * might have blocked - try again.
      */
     if (error)
         goto repeat;

     if (start <= files->next_fd)
         files->next_fd = newfd + ;

     error = newfd;

 out:
     return error;
 }

根据该函数的注释即可知道它的所用就是：找到一个没有被使用的文件描述符，从start开始（这里就是dup和dup2的区别所在）。

 /*
  * Install a file pointer in the fd array.
  *
  * The VFS is full of places where we drop the files lock between
  * setting the open_fds bitmap and installing the file in the file
  * array.  At any such point, we are vulnerable to a dup2() race
  * installing a file in the array before us.  We need to detect this and
  * fput() the struct file we are about to overwrite in this case.
  *
  * It should never happen - if we allow dup2() do it, _really_ bad things
  * will follow.
  */

 void fastcall fd_install(unsigned int fd, struct file * file)
 {
     struct files_struct *files = current->files;
     spin_lock(&files->file_lock);
     if (unlikely(files->fd[fd] != NULL))
         BUG();
     files->fd[fd] = file;
     spin_unlock(&files->file_lock);
 }

fd_install的作用就是把fd指针数组对应fd下标的指针赋值为file。

到此回到dupfd，返回获取的fd，这就是新的拷贝，然后sys_dup就返回该值。

三、dup2

dup2的实现跟dup类似，关键的差别就是dup2返回指定的newfd，dup返回最小可用的fd。