linux 如何自定义文件描述符

简单回顾文件描述符和重定向

在linux系统中，为每一个程序都定义了3个文件描述符，分别是标准输入：/dev/stdin、标准输出：/dev/stdout和错误输入：/dev/stderr，如果用文件描述符id表示，则从前到后分别是0、1、2。

在linux系统中，可以通过查询/proc/进程pid/fd下的0、1、2软连接文件，可以查看文件描述符的具体指向。

bash 复制代码

# ls -l /proc/$$/fd
total 0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 22:54 0 -> /dev/pts/0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 22:54 1 -> /dev/pts/0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 22:54 2 -> /dev/pts/0
#

在程序初始运行中，系统会为分配这个3个文件描述符指向的设备或者文件,比如在上述例子中，都指向虚拟终端/dev/pts/0，而重定向则是修改文件描述符的指向，比如将标准输出指向到某个文件，而后续程序输出则会写到这个文件中，当然也可以指向其他设备。

除此之外，还能额外创建其他的文件描述符。

自定义文件描述符的基本操作

在系统中，任何进程都可以调用系统open函数，或者建立新的网络连接来创建文件描述符，而这些文件描述符都属于该进程自己。而在linux中，同样也可以创建文件描述符，而该文件描述符依然属于该进程，可以看看这二者之间的差别。

进程产生的文件描述符

关于进程创建文件描述符，举一个最简单的例子，比如我们编写如下的一段go代码：

go 复制代码

package main

import (
	"fmt"
	"net"
	"os"
	"time"
)

func main() {

	fmt.Println("pid: ", os.Getpid())

	for i := 0; i < 10; i++ {
		_, err := os.Create(fmt.Sprintf("file_%d", i))
		if err != nil {
			fmt.Println("open error", err)
		}
	}

	net.Dial("tcp", "192.168.1.1:22")
	net.Dial("tcp", "192.168.1.2:80")

	time.Sleep(time.Hour * 1)

}

上述代码，首先打印了进程的pid，而后在当前目录下新建了file_0到file_9这10个文件，创建了的文件都没有进行close操作，也就是说，文件句柄还在进程中，然后使用net库创建了2个tcp连接，这是还是没有close操作，最后使用sleep睡眠了1个小时。

测试一下进程创建文件描述符号，首先进行编译：

bash 复制代码

go build -o fdtests

而后执行该可执行文件：

bash 复制代码

# ./fdtests
pid:  1362

得到了pid之后，新开一个终端，查看该进程的fd信息。

bash 复制代码

# ls -l /proc/1362/fd/
total 0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 0 -> /dev/pts/0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 1 -> /dev/pts/0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 10 -> /root/file_5
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 11 -> /root/file_6
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 12 -> /root/file_7
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 13 -> /root/file_8
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 14 -> /root/file_9
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 15 -> socket:[22365]
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 16 -> socket:[22366]
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 2 -> /dev/pts/0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 3 -> /root/file_0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 4 -> anon_inode:[eventpoll]
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 5 -> anon_inode:[eventfd]
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 6 -> /root/file_1
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 7 -> /root/file_2
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 8 -> /root/file_3
lrwx------. 1 root root 64 Jun  4 23:45 9 -> /root/file_4
#

通过上面的例子，可以看到众多的文件句柄，其中0、1、2分别是系统创建的默认的句柄，还可以看到指向文件file_*的句柄，以及2个socket句柄，是最后的2个tcp连接。其中有2个特殊的句柄anon_inode，这个暂不讨论。

上述这些句柄都是属于进程的，其他进程是无法直接使用的，也需要调用系统open函数来实现自己的句柄才行。

使用命令创建的文件描述符

在linux中，会为每一个进程都分配0、1、2 这三个文件描述符，包括使用的终端，而自定义的文件描述符必须从3开始，而linux建议使用3到9这几个文件描述符，当然，这只是建议，你可以不遵守，只要创建的文件描述符id不超过系统允许最大的值即可，在linux系统中使用如下命令查询允许最大的文件描述符：

bash 复制代码

ulimit -n

当然也可以动态修改它，比如将其修改为65535，只需要在n的后面添加即可：

bash 复制代码

ulimit -n 65535

创建文件描述符

在linux中，创建一个可读可写的文件描述符，使用<>关键字即可，例如：

bash 复制代码

exec 3<>/root/a.log

如上命令创建了一个可读可写的文件描述符3，指向/root/a.log，在linux中创建的文件描述符是在/dev/fd目录中，例如：

bash 复制代码

# ls -l /dev/fd/
total 0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  5 23:47 0 -> /dev/pts/0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  5 23:47 1 -> /dev/pts/0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  5 23:47 2 -> /dev/pts/0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  5 23:47 3 -> /root/a.log
lr-x------. 1 root root 64 Jun  5 23:47 4 -> /proc/1852/fd
#

注意，该目录/dev/fd是一个虚拟目录，不同的进程查看该目录会得到不一样的结果，即：该目录下的句柄，只能创建该句柄的进程所使用，其他进程均无法使用。

向文件描述符写入数据

使用重定向写入内容，比如上面文件描述符id为3，即：

bash 复制代码

echo "123" >& 3

注意，>&是一个关键字，表示向文件描述符写入数据，而3则表示文件描述符id，注意：没有>>&这种写法，这种写法是错误的。

如果要将一个标准错误的数据写入到对应的文件描述符中，需要用到2>&关键字，即：

bash 复制代码

abcd 2>& 3

都知道没有abcd这个命令，所以解释权会向错误输出报错找不到命令，使用2>&将该报错写入到文件描述符id为3中。

文件描述符读取数据

使用<&关键字可以读取文件描述符的内容，比如：

bash 复制代码

cat <& 3

可以读取文件描述符id为3的内容，但是实际执行后，你会发现，什么内容都没有，如：

bash 复制代码

# cat <& 3
#

这是因为linux中有一个叫做文件指针的概念（offset），在向该文件描述符写入内容的时候，已经同步将指针移动了到了最后，所以在读取的时候，什么内容也没有。需要重置offset为开头，即重新设置一下文件描述符：

bash 复制代码

# exec 3<>/root/a.log
# cat <& 3
123
-bash: abcd: command not found
#

如下即可读取到文件描述符指向文件的内容了。

关闭文件描述符

使用如下命令可以关闭id为3的文件描述符：

bash 复制代码

exec 3>&-

其中，3>&-不能有任何空格，否则会报错。

关闭后，/dev/fd/文件中就没有相关文件的文件描述符了。

bash 复制代码

# ls -l /dev/fd/
total 0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  5 23:49 0 -> /dev/pts/0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  5 23:49 1 -> /dev/pts/0
lrwx------. 1 root root 64 Jun  5 23:49 2 -> /dev/pts/0
lr-x------. 1 root root 64 Jun  5 23:49 3 -> /proc/1293/fd
#

创建只读、只写文件描述符

上述是创建了一个可读写的文件测试服，文件指针会随着写入变化而变化，linux还允许创建只读、只写的文件描述符，比如：

创建只写文件描述符id为5，指向文件/root/a1.log，命令如下：

bash 复制代码

# exec 5> /root/a1.log

可以使用查看/dev/fd/5权限，如下：

bash 复制代码

# ls -l /dev/fd/5
l-wx------. 1 root root 64 Jun  5 23:49 /dev/fd/5 -> /root/a1.log
#

其中它的权限为-wx，只有写和执行权限，没有读权限。

所以，若读取的话，会报错：

bash 复制代码

# cat <& 5
cat: -: Bad file descriptor
#

创建只读文件描述符id为6，同样指向文件/root/a1.log，命令如下：

bash 复制代码

# exec 6< /root/a1.log

同样的，该文件权限只有读和执行权限，没有写权限。

bash 复制代码

# ls -l /dev/fd/6
lr-x------. 1 root root 64 Jun  5 23:47 /dev/fd/6 -> /root/a1.log
#

这个时候使用文件描述符5来写数据，使用文件描述符6来去读数据。

bash 复制代码

# echo '123' >& 5
# cat <& 6
123
# cat <& 6
#

读取完成后，文件指针会移动到读取后的位置，所以重复读取是没有用的。

文件描述符小例子

使用命名管道来限制多进程同时执行，代码如下：

bash 复制代码

#!/bin/bash

mkfifo pipe

exec 3<>./pipe

for i in $(seq 2)
do
        echo "${i}" >&3
done

for i in $(seq 10)
do
{
        read -u 3 id
        echo id: ${id} time: $(date +"%F %T") id: ${i}
        sleep 3
        echo ${id} >&3
}&
done

exec 3>&-

wait

rm -f pipe

echo "done"

上述脚本利用了管道来限制多进程同时执行，首先使用mkdifo是用来创建管道，而后定义了一个文件描述符id为3来指向该管道文件，第一个for循环表示允许同时最多几个进程运行，上述定义的是2个，而后定义了10个进程来同时运行，使用read -u来读取文件描述符指向文件的内容，并且写入id变量，当read读取不到管道数据数据的时候，会阻塞当前进程，由于提前写入了2个数据，所以，只允许2个进程同时运行，并且执行完毕后，将id重新写入到管道中，以便实现循环读取。最后关闭文件描述符，删除管道文件。

所以上述脚本执行结果如下：

bash 复制代码

[root@localhost bash]# bash fd_test.sh
id: 1 time: 2025-06-05 23:47:46 id: 7
id: 2 time: 2025-06-05 23:47:46 id: 3
id: 1 time: 2025-06-05 23:47:49 id: 2
id: 2 time: 2025-06-05 23:47:49 id: 4
id: 1 time: 2025-06-05 23:47:52 id: 6
id: 2 time: 2025-06-05 23:47:52 id: 5
id: 1 time: 2025-06-05 23:47:55 id: 1
id: 2 time: 2025-06-05 23:47:55 id: 8
id: 1 time: 2025-06-05 23:47:58 id: 10
id: 2 time: 2025-06-05 23:47:58 id: 9
done
[root@localhost bash]#

可以通过输出发现，同一时间只有2个任务在同时运行。

总结

在linux中，每个进程打开文件、建立网络连接，其实都是在文件描述符中增加相应的id，若超过系统设置的值，则会报错Too many open files。

在linux中，可以手动指定文件描述符，相关操作如下，比如创建id为3的文件描述符各项操作：

创建只读的文件描述符：

bash 复制代码

exec 3<filename

创建只写的文件描述符：

bash 复制代码

exec 3>filename

创建可读写的文件描述符：

bash 复制代码

exec 3<>filename

进行文件描述符读取操作：

bash 复制代码

<&3

进行文件描述符写入操作：

bash 复制代码

>&3

最后是关闭文件描述符：

bash 复制代码

3>&-

最后介绍了一个小例子，使用文件描述符配合管道来实现控制shell脚本的同时运行。