Linux 基础 - IO 全面介绍

文件描述符就是从 0 开始的小整数。当打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件。于是就有了 file 结构体。表示一个已经打开的文件对象。而进程执行 open 系统调用，所以必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个指针 files_struct*, 指向一张表 files_struct, 该表最重要的部分就是包涵一个指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针！所以，本质上，文件描述符就是该数组的下标。只要拿着文件描述符，就可以找到对应的文件

补充：

• 标准输入、标准输出、标准错误在对应的文件描述符为 0，1，2，对应 C 语言层上的是 stdin、stdout、stderr

• 所有文件，如果要被使用时，首先必须被打开

• 一个进程可以打开多个文件，系统中被打开的文件一定有多个，多个被打开的文件，一定要被操作系统管理起来的（先描述（struct file（包含了目标文件的基本操作和部分属性）），再组织（双链表））

• 打开文件的过程：先在 fd_array 数组中找一个最小的没有被使用的数组下标位置，然后把新 open 出的文件的结构体地址填入到数组中去，对应该地址的下标返回给对应的进程

• fd：本质是进程和文件之间对应关系的数组的下标，有了 fd 就可以找到打开文件的所有细节

文件描述符的分配规则

总结：

• 文件描述符的分配规则：在 files_struct 数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符

• Linux 进程默认情况下会有 3 个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入 0， 标准输出 1， 标准错误 2

重定向

补充：程序替换的时候不会影响重定向对应的数据结构的数据（程序替换影响的是进程虚拟地址空间部分，而重定向影响的是 files_struct 部分）

使用 dup2 系统调用

#include <unistd.h>
int dup2(int oldfd, int newfd);

注：

newfd 使 oldfd 的一份拷贝，不是拷贝 fd 而是拷贝 fd 对应的 fd_array 数组中的内容

FILE

因为 IO 相关函数与系统调用接口对应，并且库函数封装系统调用，所以本质上，访问文件都是通过 fd 访问的。因此 C 库当中的 FILE 结构体内部，必定封装了 fd

typedef struct _IO_FILE FILE; 在/usr/include/stdio.h
在/usr/include/libio.h
struct _IO_FILE {
 int _flags; /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags
 //缓冲区相关
 /* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */
 /* Note: Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */
 char* _IO_read_ptr; /* Current read pointer */
 char* _IO_read_end; /* End of get area. */
 char* _IO_read_base; /* Start of putback+get area. */
 char* _IO_write_base; /* Start of put area. */
  char* _IO_write_ptr; /* Current put pointer. */
 char* _IO_write_end; /* End of put area. */
 char* _IO_buf_base; /* Start of reserve area. */
 char* _IO_buf_end; /* End of reserve area. */
 /* The following fields are used to support backing up and undo. */
 char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
 char *_IO_backup_base; /* Pointer to first valid character of backup area */
 char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */
 struct _IO_marker *_markers;
 struct _IO_FILE *_chain;
 int _fileno; //封装的文件描述符
#if 0
 int _blksize;
#else
 int _flags2;
#endif
 _IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small. */
#define __HAVE_COLUMN /* temporary */
 /* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */
 unsigned short _cur_column;
 signed char _vtable_offset;
 char _shortbuf[1];
 /* char* _save_gptr; char* _save_egptr; */
 _IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};

总结：

• FILE 结构体中包含了 int fileno 的成员（也就是系统上的 fd 文件描述符）

• fopen、fwrite、fread、fclose 等 f 系列的库函数都是由底层 open、write 、read、close 实现的，通过 open 的返回值传给 fileno，从而对系统调用函数进行封装

• struct FILE 内部包含：底层对应的文件描述符下标、应用层 C 语言提供的缓冲区数据

• 所谓的默认打开文件，标准输入、标准输出、标准错误其实是由底层系统支持的，默认一个进程在运行的时候，就打开了 0，1，2

[root@localhost linux]# ls
add.c add.h main.c sub.c sub.h
[root@localhost linux]# gcc -c add.c -o add.o
[root@localhost linux]# gcc -c sub.c -o sub.o
生成静态库
[root@localhost linux]# ar -rc libmymath.a add.o sub.o 
ar是gnu归档工具，rc表示(replace and create)
查看静态库中的目录列表
[root@localhost linux]# ar -tv libmymath.a 
rw-r--r-- 0/0 1240 Sep 15 16:53 2017 add.o
rw-r--r-- 0/0 1240 Sep 15 16:53 2017 sub.o
t:列出静态库中的文件
v:verbose 详细信息
[root@localhost linux]# gcc main.c -I -L. -lmymath
-L 指定库路径
-I 指定头文件路径
-l 指定库名
测试目标文件生成后，静态库删掉，程序照样可以运行

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:路径