在 fork() 之后寻求有关“文件描述符”的简单描述

Posted 2023-02-21

【中文标题】在 fork() 之后寻求有关“文件描述符”的简单描述

【英文标题】：Seeking a simple description regarding 'file descriptor' after fork()

【发布时间】：2012-07-28 19:52:41

【问题描述】：

在“Unix 环境中的高级编程”第 2 版中，作者：W. Richard Stevens。第 8.3 节 fork 函数。

这里是描述：

重要的是父子节点共享相同的文件偏移量。

考虑一个派生一个子进程，然后等待子进程完成的进程。假设两个进程都写入标准输出作为其正常处理的一部分。如果父级将其标准输出重定向（可能是通过 shell），那么当子级写入标准输出时，父级的文件偏移量必须由子级更新。

我的回答：

1 这是什么意思？例如，如果父级的 std 输出被重定向到“file1”，那么子级写入后子级应该更新什么？父级的原始 std 输出偏移量或重定向输出（即 file1）偏移量？不可能是后者吧？

2 更新是如何完成的？由子显式，操作系统隐式，文件描述符本身？在 fork 之后，我认为父母和孩子各走各的路，有自己的文件描述符副本。那么child如何更新offset到parent端呢？

在这种情况下，子进程可以在父进程等待时写入标准输出；在孩子完成后，父母可以继续写入标准输出，因为知道它的输出将附加到孩子写的任何内容。如果父级和子级不共享相同的文件偏移量，则这种类型的交互将更难以完成，并且需要父级的显式操作。

如果父母和孩子都写入同一个描述符，没有任何形式的同步，例如让父母等待孩子，他们的输出将混合在一起（假设它是一个在分叉之前打开的描述符）。虽然这是可能的，但这不是正常的操作模式。

分叉后处理描述符有两种正常情况。

父母等待孩子完成。在这种情况下，父级不需要对其描述符做任何事情。当子进程终止时，子进程读取或写入的任何共享描述符都将相应更新其文件偏移量。

父母和孩子都各走各的路。在这里，在分叉之后，父级关闭它不需要的描述符，子级也做同样的事情。这样，既不会干扰对方的开放描述符。网络服务器通常会出现这种情况。

我的回答：

3 当 fork() 被调用时，我所理解的只是孩子得到了父母拥有的东西的副本，在这种情况下是文件描述符，并做它的事情。如果父子共享的文件描述符有任何偏移量发生变化，那只能是因为描述符本身记住了偏移量。我说的对吗？

我对这些概念有点陌生。

【参考方案1】：

在书的同一部分，有一个图表显示了打开文件时存在的三个表。

用户文件描述符表（进程表条目的一部分）、文件表和inode表（v-node表）。 现在一个文件描述符（它是文件描述符表的索引）条目指向一个文件表条目，它指向一个 inode 表条目。 现在文件偏移量（下一次读/写发生的位置）在文件表中。

假设你有一个在父级中打开的文件，这意味着它有一个描述符，一个文件 表条目和 inode 引用。 现在，当您创建孩子时，将为孩子复制文件描述符表。 所以文件表条目中的引用计数（对于那个打开的描述符）增加了，这意味着现在对于同一个文件表条目有两个引用。

此描述符现在在父子节点中都可用，指向同一个文件表条目，因此共享偏移量。 现在有了这个背景，让我们看看你的问题，

这是什么意思？例如，如果父级的 std 输出被重定向到“file1”，那么子级写入后子级应该更新什么？父母的原始标准输出偏移量或 重定向输出（即file1）偏移量？不可能是后者吧？]

孩子明确不需要更新任何东西。这本书的作者试图 告诉它，假设父母的标准输出被重定向到一个文件并进行了一个 fork 调用。之后父级正在等待。所以描述符现在被复制，即文件偏移量也被共享。现在，每当孩子向标准输出写入任何内容时，写入的数据都会保存在重定向文件中。 写入调用会自动增加偏移量。

现在说孩子退出。 所以父母从等待中出来并在标准输出上写了一些东西（这是 重定向）。现在 parent 的 write 调用的输出将放置在 -> 数据之后，该数据由孩子写入。为什么 -> 因为偏移量的当前值现在在孩子写入之后发生了变化。

 Parent ( )
  
    open a file for writing, that is get the 
    descriptor( say fd);
    close(1);//Closing stdout
    dup(fd); //Now writing to stdout  means writing to the file
    close(fd)
        //Create a child that is do a  fork call.
    ret = fork();
    if ( 0 == ret )
    
        write(1, "Child", strlen("Child");
        exit ..
    
        wait(); //Parent waits till child exit.

         write(1, "Parent", strlen("Parent");
    exit ..

Pl。看上面的伪代码，打开的文件包含的最终数据将是 ChildParent。因此，您会看到文件偏移量在子级写入时发生了更改，并且这对父级的 write 调用是可用的，因为 offest 是共享的。

2.更新是如何完成的？由子显式，操作系统隐式，文件描述符本身？分叉后，我以为父母和孩子各走各的路 有自己的文件描述符副本。那么child如何更新offset到parent端呢？]

Now I think the answer is clear-> by the system call that is by the OS.

[3.当 fork() 被调用时，我所理解的是孩子得到父母所拥有的副本， 在这种情况下，文件描述符，并做它的事情。如果父子共享的文件描述符有任何偏移量发生变化，那只能是因为描述符本身记住了偏移量。我说的对吗？]

这也应该很清楚。用户文件表的入口指向文件表 表项（包含偏移量）。

换句话说，系统调用可以从描述符中获取偏移量。

【讨论】：

“文件表条目中的引用计数（对于那个打开的描述符）增加了”。你能指出一个参考吗？这意味着 fork 复制父内存不是浅拷贝。

【参考方案2】：

区分文件描述符和文件描述很重要，文件描述符是进程在读取和写入调用中用来识别文件的一个小整数，这是内核中的一个结构。文件偏移量是文件描述的一部分。它存在于内核中。

作为一个例子，让我们使用这个程序：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>

int main(void)

    int fd;

    fd = open("output", O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY, 0666);

    if(!fork()) 
        /* child */
        write(fd, "hello ", 6);
        _exit(0);
     else 
        /* parent */
        int status;

        wait(&status);
        write(fd, "world\n", 6);
    

（已省略所有错误检查）

如果我们编译这个程序，调用它hello，然后像这样运行它：

./hello

发生了什么：

程序打开output 文件，如果它不存在则创建它，如果它存在则将其截断为零大小。内核创建一个文件描述（在 Linux 内核中这是一个struct file）并将其与调用进程的文件描述符（该进程的文件描述符表中尚未使用的最小非负整数）相关联。文件描述符被返回并分配给程序中的fd。为了论证起见，假设fd 是 3。

程序执行 fork()。新的子进程获得其父文件描述符表的副本，但不会复制文件描述。两个进程的文件表中的条目号 3 指向相同的struct file。

父进程等待子进程写入。孩子的写导致"hello world\n"的前半部分存入文件中，文件偏移量前移6。文件偏移量在struct file中！

子进程退出，父进程的wait() 完成，父进程使用 fd 3 写入，该文件描述仍然与相同的文件描述相关联，该文件的偏移量由子进程的 write() 更新。因此，消息的后半部分存储在第一部分之后，而不是像父文件偏移量为零时那样覆盖它，如果文件描述不存在，就会出现这种情况共享。

最终父级退出，内核看到struct file不再使用并释放它。

【讨论】：

艾伦，这个解释太棒了！感谢您花时间为新手详细解释。

@AlanCurry 如果我不在父程序中使用 wait() 怎么办？当父进程退出时，文件描述是否免费？

"获取其父文件描述符表的副本，但不复制文件描述。"这是文件描述符的特定行为（内核描述是共享的事实）吗？因为例如全局变量是复制的，而不是共享的，afaik。

@Allan Curry，你为什么叫_exit而不是exit？请您解释一下与您的答案的关系吗？