Linux内核解析之标准I/O库

当Linux创建一个进程时，会自动创建3个文件描述符0,1,2,分别对应标准输入，标准输出，错误输出。C库中与文件描述符对应的是文件指针。查看C库头文件stdio.h中的源码

typedef struct _IO_FILE FILE;  //文件流类型
extern struct _IO_FILE *stdin;      /* 标准输入流 */
extern struct _IO_FILE *stdout;     /* 标准输出流  */
extern struct _IO_FILE *stderr;     /* 错误流  */
#ifdef __STDC__
/* C89/C99 say they‘re macros.  Make them happy.  */
#define stdin stdin
#define stdout stdout
#define stderr stderr
#endif 

从上面源码看stdin,stdout,stderr是文件流指针，看看stdin，stdout,stderr是如何定义的

_IO_FILE *stdin = (FILE *) &_IO_2_1_stdin_;
_IO_FILE *stdout = (FILE *) &_IO_2_1_stdout_;
_IO_FILE *stderr = (FILE *) &_IO_2_1_stderr_; 

继续查看_IO_2_1_stdin_的定义

DEF_STDFILE(_IO_2_1_stdin_, 0, 0, _IO_NO_WRITES);
DEF_STDFILE(_IO_2_1_stdout_, 1, &_IO_2_1_stdin_, _IO_NO_READS);
DEF_STDFILE(_IO_2_1_stderr_, 2, &_IO_2_1_stdout_, _IO_NO_READS+_IO_UNBUFFERED); 

DEF_STDFILE是一个宏定义，用于初始化C库中的FILE结构，_IO_2_1_stdin__IO_2_1_stdout__IO_2_1_stderr_分别用于0,1,2的初始化，这样c库的文件指针跟系统的文件描述符关联起来了，另外注意后面的标志位，stdin是不可写，stdout不可读，stderr不可读不可写没缓冲

通过上面分析可以得知stdin,stdout,stderr是file类的文件指针

I/O缓冲引出的有趣问题。

C库的I/O接口对文件I/O进行了封装为了提高性能，其引入了缓存机制，共有3种缓存机制：全缓存，行缓存及无缓存

全缓存一般用于访问真正的磁盘文件。C库为文件访问申请一块内存，只有当文件内容将缓存填满或者执行flush时，C库才会将缓存内容写入到内核中。

行缓存一般用于访问终端，当遇到一个换行符时，就会引发真正的I/O操作。

无缓存那就不用多说了

C库的fopen用于打开文件，其内部实现必然要使用open系统调用。那么fopen的各个标志位又对应open的哪些标志位呢？请看表2-1。

下面进入glibc的源码，查看函数_IO_new_file_fopen来验证上面的结论

_IO_FILE *
_IO_new_file_fopen (fp, filename, mode, is32not64)
     _IO_FILE *fp;
     const char *filename;
     const char *mode;
     int is32not64;
{
  int oflags = 0, omode;
  int read_write;
  int oprot = 0666;
  int i;
  _IO_FILE *result;
#ifdef _LIBC
  const char *cs;
  const char *last_recognized;
#endif
  if (_IO_file_is_open (fp))
    return 0;
  switch (*mode)
       {
    case ‘r‘:
      omode = O_RDONLY;
      read_write = _IO_NO_WRITES;
      break;
    case ‘w‘:
      omode = O_WRONLY;
      oflags = O_CREAT|O_TRUNC;
      read_write = _IO_NO_READS;
      break;
    case ‘a‘:
      omode = O_WRONLY;
      oflags = O_CREAT|O_APPEND;
      read_write = _IO_NO_READS|_IO_IS_APPENDING;
      break;
    default:
      __set_errno (EINVAL);
      return NULL;
    }
#ifdef _LIBC
  last_recognized = mode;
#endif
  for (i = 1; i < 7; ++i)
    {
      switch (*++mode)
    {
    case ‘\0‘:
      break;
    case ‘+‘:
      omode = O_RDWR;
      read_write &= _IO_IS_APPENDING;
#ifdef _LIBC
      last_recognized = mode;
#endif
   continue;
    case ‘x‘:
      oflags |= O_EXCL;
#ifdef _LIBC
      last_recognized = mode;
#endif
      continue;
    case ‘b‘:
#ifdef _LIBC
      last_recognized = mode;
#endif
      continue;
    case ‘m‘:
      fp->_flags2 |= _IO_FLAGS2_MMAP;
      continue;
    case ‘c‘:
      fp->_flags2 |= _IO_FLAGS2_NOTCANCEL;
      continue;
    case ‘e‘:
#ifdef O_CLOEXEC
      oflags |= O_CLOEXEC;
#endif
      fp->_flags2 |= _IO_FLAGS2_CLOEXEC;
      continue;
    default:
      /* Ignore.  */
      continue;
    }
      break;
    }
  result = _IO_file_open (fp, filename, omode|oflags, oprot, read_write,
            is32not64); 

fdopen与fileno

Linux提供了文件描述符，而C库又提供了文件流。在平时的工作中，有时候需要在两者之间进行切换，因此C库提供了两个API：

#include <stdio.h>
FILE *fdopen(int fd, const char *mode);
int fileno(FILE *stream); 

fdopen用于从文件描述fd中生成一个file指针，而fileno则用于从文件指针中得到对应的文件描述符

查看fdopen的实现，其基本工作是创建一个新的文件流FILE，并建立文件流FILE与描述符的对应关系。我们以fileno的简单实现，来了解文件流FILE与文件描述符fd的关系。——因为该函数代码较长，在此就不罗列C库的代码了。代码如下：

int fileno (_IO_FILE* fp)
{
    CHECK_FILE (fp, EOF);
    if (!(fp->_flags & _IO_IS_FILEBUF) || _IO_fileno (fp) < 0)
    {
         __set_errno (EBADF);
         return -1;
    }
    return _IO_fileno (fp);
}
#define _IO_fileno(FP) ((FP)->_fileno) 

从fileno的实现基本上就可以得知文件流与文件描述符的对应关系。文件流FILE保存了文件描述符的值。当从文件流转换到文件描述符时，可以直接通过当前FILE保存的值_fileno得到fd。而从文件描述符转换到文件流时，C库返回的都是一个重新申请的文件流FILE，且这个FILE的_fileno保存了文件描述符。

因此无论是fdopen还是fileno，关闭文件时，都要使用fclose来关闭文件，而不是用close。因为只有采用此方式，fclose作为C库函数，才会释放文件流FILE占用的内存。

来自为知笔记(Wiz)