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Unix 档案描述符揭秘：为什么标准输入、标准输出和标准错误如此关键？
在 Unix 和类 Unix 操作系统中，档案描述符（FD）是每个进程的唯一识别码，用于识别档案或其他输入/输出资源，如管道或网路套接字。这些描述符通常使用非负整数值，大多数情况下，负值则表示「无值」或错误条件。档案描述符是POSIX API 的一部分，所有Unix 进程通常都需要三个标准的POSIX 档案描述符，这些描述符对应于三个标准流：标准输入（stdin）、标准输出（stdout）和标准错误（stderr ）。
每个Unix 进程的档案描述符都对应一个由内核维护的进程档案描述符表，这表格又索引到所有进程共用的一个系统级文件表，该表记录了档案被打开的模式，例如：读取、写入及附加等模式。
档案描述符的使用是执行输入和输出的基础。当进程需要进行这些操作时，它会透过系统调用将档案描述符传递给内核，内核则代表进程访问档案。进程无法直接访问档案或索引表。对于 Linux 系统，进程中打开的档案描述符可以在路径 /proc/PID/fd/ 下找到，这里的 PID 是进程识别码。
例如，档案描述符/proc/PID/fd/0 对应标准输入，/proc/PID/fd/1 是标准输出，而 /proc/PID/fd/2 则是标准错误。任何正在运行的进程也可以透过 /proc/self/fd 和 /dev/fd 这两个资料夹来访问自身的档案描述符。
档案描述符的操作
在现代类 Unix 系统上，档案描述符的操作非常多样。通常这些操作包含创建档案描述符、衍生档案描述符，以及针对单一或多个档案描述符进行的操作等。以下是一些基本的档案描述符操作：
创建档案描述符
创建档案描述符的典型方法包括：
open()creat()socket()pipe()
衍生档案描述符
可以通过以下方法衍生档案描述符：
dirfd()fileno()
单一档案描述符的操作
对档案描述符进行操作例如：
read()write()lseek()
多个档案描述符的操作
处理多个档案描述符的操作包括：
select()poll()
这些操作不仅使得档案描述符成为优雅的功能接口，也简化了进程间的通信。
档案描述符作为能力
Unix 档案描述符在许多方面表现得像是能力（capabilities）。它们可以透过 Unix 域套接字在进程间传递，这使得资源的共享变得灵活。但要注意的是，这会导致可变状态的问题，因为多个进程之间共享同一个打开档案的描述符时，可能会互相干扰。
未来的展望
随着 Unix 和类 Unix 系统的演进，许多新的操作和库已被增添，这些操作的目的是防止某类特定的 TOCTOU 攻击。这些操作包括 openat() 和其他相关操作。
结论
了解档案描述符的运作原理不仅对程式员来说至关重要，对于每一个使用类 Unix 系统的人来说都十分必要。它们是进程间交流的关键桥梁，为整个系统的运行提供了基础架构。随着科技的快速发展，这个曾被认为基础的概念或许会引发新的思考与挑战。在这样的情况下，我们不禁要问，未来的档案描述符将朝着何处演进，并如何影响我们的计算和沟通方式？
