在 linux 中，一切皆文件，比如磁盘、网络、管道等等。文件是一切 IO 设备的抽象，屏蔽了底层复杂的实现。在编写代码时，我们最常接触是就是文件描述符，通过它来操作文件的读写，关闭等。那么文件描述符到底是啥呢？
文件描述符
当打开一个文件时，会返回 fd 文件描述符。它其实就是一个整数，为文件描述符表的下标。系统中有三个默认的 fd，分别为标准输入、标准输出、标准错误。之后打开的文件描述符从 3 开始。
- std_in，标准输入，fd = 0
- std_out，标准输出，fd = 1
- std_err，标准错误，fd = 2
三张表
文件描述符表中的每一项指向打开文件列表中的文件，包括当前文件偏移量、文件的引用计数、文件的 inode 指针。
其中 inode 指针指向一个结构，表示文件的一些元信息，比如文件大小、类型、创建时间、修改时间等等。另外这里还涉及到另外一个表，v-node 表，用来存储 inode 节点信息，包括 stat 结构中的大多数信息。
简单来说，这里会涉及到三张表：
- 文件描述符表，每项指向文件表中的一项。
- 打开的文件表，存放文件当前位置、引用计数、inode 指针。
- v-node 表，存放 inode 节点信息。
数据结构如下图所示：
Xnip2020-10-17_14-25-57.jpg
文件共享
这种结构可以十分方便的引用同一个文件，实现文件共享。
当多次打开同一个文件时，会生成不同的 fd，指向文件表中的不同的项，各自记录文件位置，便于独立读写。但 inode 信息是指向同一份，在一定程度上也节约了资源。如下图所示：
Xnip2020-10-17_14-26-13.jpg
进程共享
文件描述符表在每个进程中会单独维护一份，而打开文件表和 v-node 表则是进程间共享的。
当调用 fork 创建子进程时，子进程会 copy 父进程的文件描述符表，继承父进程所有打开文件的信息。但文件表和 v-node 表还是同一份。如下图所示：
Xnip2020-10-17_14-34-56.jpg
文件关闭
当关闭某个文件时，文件的引用计数会减 1。当文件的引用数为 0 时，则与该文件相关的数据结构会被销毁，即打开文件列表中的数据和 inode 数据。此时，该 fd 便可重用了。见下图。
Xnip2020-10-17_15-00-28.jpg
I/O 重定向
I/O 重定向可将标准输入输出与磁盘文件联系起来。
比如 ls > output.txt，可将标准输出重定向到 output.txt 中。那么它到底是如何实现的呢？
linux 中提供了 dup2(oldfd, newfd) 函数来进行重定向，dup2 表示 duplicate，含义是复制一个已存在的文件描述符。具体实现原理如下：
将 newfd 在文件描述符表中的项替换为 oldfd 的项，如果 newfd 已经被打开，则需要先关闭。
更加详细的信息可以查看 man dup2。
举个栗子。比如 dup2(3, 1)，表示将标准输出 fd1 重定向到 fd3 这个描述符上。
假设 fd1 和 fd3 原来的指向如下图所示：
Xnip2020-10-17_14-25-57.jpg
当调用 dup2(3, 1) 后，数据结构如下图所示：
Xnip2020-10-17_14-25-35.jpg
由于 fd1 之前有指向打开的文件，因此它会先被关闭，该文件的引用计数变为 0。此时，文件表中的该项和对应 v-node 表中的项（白色边框部分）会被删除掉，并且 fd1 重新可复用。
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