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Unix 檔案描述符揭秘：為什麼標準輸入、標準輸出和標準錯誤如此關鍵？
在 Unix 和類 Unix 操作系統中，檔案描述符（FD）是每個進程的唯一識別碼，用於識別檔案或其他輸入/輸出資源，如管道或網路套接字。這些描述符通常使用非負整數值，大多數情況下，負值則表示「無值」或錯誤條件。檔案描述符是 POSIX API 的一部分，所有 Unix 進程通常都需要三個標準的 POSIX 檔案描述符，這些描述符對應於三個標準流：標準輸入（stdin）、標準輸出（stdout）和標準錯誤（stderr）。
每個 Unix 進程的檔案描述符都對應一個由內核維護的進程檔案描述符表，這表格又索引到所有進程共用的一個系統級文件表，該表記錄了檔案被打開的模式，例如：讀取、寫入及附加等模式。
檔案描述符的使用是執行輸入和輸出的基礎。當進程需要進行這些操作時，它會透過系統調用將檔案描述符傳遞給內核，內核則代表進程訪問檔案。進程無法直接訪問檔案或索引表。對於 Linux 系統，進程中打開的檔案描述符可以在路徑 /proc/PID/fd/ 下找到，這裡的 PID 是進程識別碼。
例如，檔案描述符 /proc/PID/fd/0 對應標準輸入，/proc/PID/fd/1 是標準輸出，而 /proc/PID/fd/2 則是標準錯誤。任何正在運行的進程也可以透過 /proc/self/fd 和 /dev/fd 這兩個資料夾來訪問自身的檔案描述符。
檔案描述符的操作
在現代類 Unix 系統上，檔案描述符的操作非常多樣。通常這些操作包含創建檔案描述符、衍生檔案描述符，以及針對單一或多個檔案描述符進行的操作等。以下是一些基本的檔案描述符操作：
創建檔案描述符
創建檔案描述符的典型方法包括：
open()creat()socket()pipe()
衍生檔案描述符
可以通過以下方法衍生檔案描述符：
dirfd()fileno()
單一檔案描述符的操作
對檔案描述符進行操作例如：
read()write()lseek()
多個檔案描述符的操作
處理多個檔案描述符的操作包括：
select()poll()
這些操作不僅使得檔案描述符成為優雅的功能接口，也簡化了進程間的通信。
檔案描述符作為能力
Unix 檔案描述符在許多方面表現得像是能力（capabilities）。它們可以透過 Unix 域套接字在進程間傳遞，這使得資源的共享變得靈活。但要注意的是，這會導致可變狀態的問題，因為多個進程之間共享同一個打開檔案的描述符時，可能會互相干擾。
未來的展望
隨著 Unix 和類 Unix 系統的演進，許多新的操作和庫已被增添，這些操作的目的是防止某類特定的 TOCTOU 攻擊。這些操作包括 openat() 和其他相關操作。
結論
了解檔案描述符的運作原理不僅對程式員來說至關重要，對於每一個使用類 Unix 系統的人來說都十分必要。它們是進程間交流的關鍵橋樑，為整個系統的運行提供了基礎架構。隨著科技的快速發展，這個曾被認為基礎的概念或許會引發新的思考與挑戰。在這樣的情況下，我們不禁要問，未來的檔案描述符將朝著何處演進，並如何影響我們的計算和溝通方式？
