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Linux内核解析之标准I/O库

时间：2016-08-10 06:21:23      阅读：292      评论：0      收藏：0      [点我收藏+]
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
  1. typedef struct _IO_FILE FILE;  //文件流类型
  2. extern struct _IO_FILE *stdin;      /* 标准输入流 */
  3. extern struct _IO_FILE *stdout;     /* 标准输出流  */
  4. extern struct _IO_FILE *stderr;     /* 错误流  */
  5. #ifdef __STDC__
  6. /* C89/C99 say they‘re macros.  Make them happy.  */
  7. #define stdin stdin
  8. #define stdout stdout
  9. #define stderr stderr
  10. #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
  1. _IO_FILE *stdin = (FILE *) &_IO_2_1_stdin_;
  2. _IO_FILE *stdout = (FILE *) &_IO_2_1_stdout_;
  3. _IO_FILE *stderr = (FILE *) &_IO_2_1_stderr_;
继续查看_IO_2_1_stdin_的定义
  1. DEF_STDFILE(_IO_2_1_stdin_, 0, 0, _IO_NO_WRITES);
  2. DEF_STDFILE(_IO_2_1_stdout_, 1, &_IO_2_1_stdin_, _IO_NO_READS);
  3. 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。
技术分享
 
  1. _IO_FILE *
  2. _IO_new_file_fopen (fp, filename, mode, is32not64)
  3.      _IO_FILE *fp;
  4.      const char *filename;
  5.      const char *mode;
  6.      int is32not64;
  7. {
  8.   int oflags = 0, omode;
  9.   int read_write;
  10.   int oprot = 0666;
  11.   int i;
  12.   _IO_FILE *result;
  13. #ifdef _LIBC
  14.   const char *cs;
  15.   const char *last_recognized;
  16. #endif
  17.   if (_IO_file_is_open (fp))
  18.     return 0;
  19.   switch (*mode)
  20.        {
  21.     case ‘r‘:
  22.       omode = O_RDONLY;
  23.       read_write = _IO_NO_WRITES;
  24.       break;
  25.     case ‘w‘:
  26.       omode = O_WRONLY;
  27.       oflags = O_CREAT|O_TRUNC;
  28.       read_write = _IO_NO_READS;
  29.       break;
  30.     case ‘a‘:
  31.       omode = O_WRONLY;
  32.       oflags = O_CREAT|O_APPEND;
  33.       read_write = _IO_NO_READS|_IO_IS_APPENDING;
  34.       break;
  35.     default:
  36.       __set_errno (EINVAL);
  37.       return NULL;
  38.     }
  39. #ifdef _LIBC
  40.   last_recognized = mode;
  41. #endif
  42.   for (i = 1; i < 7; ++i)
  43.     {
  44.       switch (*++mode)
  45.     {
  46.     case ‘\0‘:
  47.       break;
  48.     case ‘+‘:
  49.       omode = O_RDWR;
  50.       read_write &= _IO_IS_APPENDING;
  51. #ifdef _LIBC
  52.       last_recognized = mode;
  53. #endif
  54.    continue;
  55.     case ‘x‘:
  56.       oflags |= O_EXCL;
  57. #ifdef _LIBC
  58.       last_recognized = mode;
  59. #endif
  60.       continue;
  61.     case ‘b‘:
  62. #ifdef _LIBC
  63.       last_recognized = mode;
  64. #endif
  65.       continue;
  66.     case ‘m‘:
  67.       fp->_flags2 |= _IO_FLAGS2_MMAP;
  68.       continue;
  69.     case ‘c‘:
  70.       fp->_flags2 |= _IO_FLAGS2_NOTCANCEL;
  71.       continue;
  72.     case ‘e‘:
  73. #ifdef O_CLOEXEC
  74.       oflags |= O_CLOEXEC;
  75. #endif
  76.       fp->_flags2 |= _IO_FLAGS2_CLOEXEC;
  77.       continue;
  78.     default:
  79.       /* Ignore.  */
  80.       continue;
  81.     }
  82.       break;
  83.     }
  84.   result = _IO_file_open (fp, filename, omode|oflags, oprot, read_write,
  85.             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：
  1. #include <stdio.h>
  2. FILE *fdopen(int fd, const char *mode);
  3. 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：
  1. int fileno (_IO_FILE* fp)
  2. {
  3.     CHECK_FILE (fp, EOF);
  4.     if (!(fp->_flags & _IO_IS_FILEBUF) || _IO_fileno (fp) < 0)
  5.     {
  6.          __set_errno (EBADF);
  7.          return -1;
  8.     }
  9.     return _IO_fileno (fp);
  10. }
  11. #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。












Linux内核解析之标准I/O库

原文：http://www.cnblogs.com/zengyiwen/p/5755187.html
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