ls /proc/$$,self/fd/3,255 引发的一些琐事

我在使用bash的时候通常会利用它的自动补全功能来看看文件夹下的内容（连按两下`Tab`键），例如：

说明Music文件夹下有这三个文件，我也就不需要提前用ls命令来确定了。

但是最近我在查看当前shell（bash）的文件描述符时时却碰见一个“怪事”，当我用bash的自动补全功能查看时，显示为有0, 1, 2, 255, 3这五个文件：

但是当我用ls命令来显示fd文件夹的时候，却只显示有0, 1, 2, 255这4个文件，3这个文件不存在：

这是为什么呢？

其实原因很简单，自动补全功能是bash内置的一个功能，而ls是系统上的一个程序，以子进程的形式独立于bash运行。所以如果bash这个自动补全功能打开了我们要补全的路径（文件夹也是文件），那么应该会获得文件描述符3，ls也是一样。但是5736这个PID是bash的，所以我们用ls的时候看不到3而用bash的自动补全功能看得到。

为了证实一下这个的想法，上网查了一下相关资料，了解到bash自动补全功能本身就是一个用shell语言写的脚本，其配置在/etc/bash_completion这个文件中，其中常用的内置命令是complete ，用法为complete -F _known_hosts xvncviewer ，即当开头的命令./程序是xvncviewer 的时候，如果用户在参数上连按Tab键就会调用_known_hosts这个shell内置函数 ，例如：

skx@lappy:~$ xvncviewer s[TAB]
savannah.gnu.org            ssh.tardis.ed.ac.uk
scratchy                    steve.org.uk
security.debian.org         security-master.debian.org
sun
skx@lappy:~$ xvncviewer sc[TAB]

我们进入/etc/bash_completion文件，查找刚刚使用的ls命令，看看它的自动补全是什么配置的：

complete -F _longopt a2ps awk base64 bash bc bison cat colordiff cp csplit \
    cut date df diff dir du enscript env expand fmt fold gperf \
    grep grub head indent irb ld ldd less ln ls m4 md5sum mkdir mkfifo mknod \
    mv netstat nl nm objcopy objdump od paste pr ptx readelf rm rmdir \
    sed seq sha{,1,224,256,384,512}sum shar sort split strip sum tac tail tee \
    texindex touch tr uname unexpand uniq units vdir wc who

可以看到，其调用的是_longopt这个内置函数，继续定位：

_longopt()
{
    local cur prev words cword split
    _init_completion -s || return

    case "${prev,,}" in
        --help|--usage|--version)
            return 0
            ;;
        --*dir*)
            _filedir -d
            return 0
            ;;
        --*file*|--*path*)
            _filedir
            return 0
            ;;
        --+([-a-z0-9_]))
            local argtype=$( $1 --help 2>&1 | sed -ne \
                "s|.*$prev\[\{0,1\}=[<[]\{0,1\}\([-A-Za-z0-9_]\{1,\}\).*|\1|p" )
            case ${argtype,,} in
                *dir*)
                    _filedir -d
                    return 0
                    ;;
#......省略

可以看到_longopt会调用_filedir这个函数：

_filedir()
{
    local i IFS=$'\n' xspec

    _tilde "$cur" || return 0

    local -a toks
    local quoted x tmp

    _quote_readline_by_ref "$cur" quoted
    x=$( compgen -d -- "$quoted" ) &&
    while read -r tmp; do
        toks+=( "$tmp" )
    done <<< "$x"

    if [[ "$1" != -d ]]; then
        # Munge xspec to contain uppercase version too
        # http://thread.gmane.org/gmane.comp.shells.bash.bugs/15294/focus=15306
        xspec=${1:+"!*.@($1|${1^^})"}
        x=$( compgen -f -X "$xspec" -- $quoted ) &&
        while read -r tmp; do
            toks+=( "$tmp" )
        done <<< "$x"
    fi

    # If the filter failed to produce anything, try without it if configured to
    [[ -n ${COMP_FILEDIR_FALLBACK:-} && \
        -n "$1" && "$1" != -d && ${#toks[@]} -lt 1 ]] && \
        x=$( compgen -f -- $quoted ) &&
#......省略

可以看到该函数使用了compgen这个内置命令来获取文件夹下的文件名（-f = "filename"），例如：

我们使用strace来追踪这个内置命令的系统调用，特别是返回文件描述符的系统调用open：

通过对比可以看到compgen调用open打开了这个文件夹，而且得到了文件描述符3（前面的open都调用了close删除了它们得到的文件描述符3）。

如果将compgen换成ls ：

对比可以看出，compgen只有一个execve ，即compgen是在bash进程中执行的，但ls有两个，第二个说明了它是作为bash的子进程运行的， 证实了我们之前的想法。

如果感兴趣的话可以看看ls的源码，其中使用到了readdir opendir这两个库函数（GNU coreutils-8.29）

综上，我们可以用两个图来总结。

自动补全：

         Process: Bash
+-----------------------------+
|                             |
|  0,1,2,255       0,1,2,3,255|
|    Tab->compgen->open       |
|                             |
+-----------------------------+

ls 命令：

         Process: Bash
+-----------------------------+
|                             |
|  0,1,2,255                  |
|     ls                      |
|      +                      |
+-----------------------------+
       |
       |
       | Child Process: ls
+------+----------------------+
|                             |
|0,1,2         0,1,2,3        |
|  opendir->open              |
+-----------------------------+

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另外，如果我们将操作应用于 /proc/self/文件夹也会得到一些有意思的结果：

第一行我们已经讲明白了，但是第二行和第三行怎么解释呢？

在man 5 proc下对这个文件夹的解释是这样的：

/proc/self
              This  directory  refers  to  the  process  accessing  the  /proc
              filesystem, and is identical to the /proc directory named by the
              process ID of the same process.

也就是说， /proc/self/反应的是当前访问文件的进程的状态数据 ，所以我们用ls /proc/self/fd/实际上是ls /proc/${PID of ls}/fd/ ，而ls会打开这个文件夹（同时获得3这个文件描述符），所以就会看到0,1,2,3这个四个文件了。但如果我们直接ls /proc/self/fd/3 ，这个时候ls的进程还没有获得3这个描述符，就尝试去打开3这个不存在的文件，所以就报错了。在CentOS的文档中提到了这个文件夹的作用：

The /proc/self/ directory is a link to the currently running process. This allows a process to look at itself without having to know its process ID.

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另外提一下bash进程中的255文件描述符，这个是bash独有的一个小“trick”，其对应的文件是一个终端设备：

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这次碰到的问题抽象点说就是获取信息的手段本身会影响信息，这样的问题在很多地方都有体现，简单的例如用ps aux | wc通过行数来获取进程数，但ps aux本身在运行的时候就会形成一个进程，以后需要注意;)

参考：

1. An introduction to bash completion
2. What is the use of file descriptor 255 in bash process
3. Coreutils - GNU core utilities