Linux-fd与FILE结构体

学习文件描述符fd和FILE结构体前，我们先了解一下系统I/O
(1)系统文件I/O
我们学习C语言的时候，通过fopen(),fclose(),fread(),fwrite()等 I/O函数来操作文件，同样的，我们也可以采用系统接口open、close、write、read等来进行文件访问。

往文件里写
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{
    umask(0);
    int fd = open("myfile",O_WRONLY|O_CREAT,0644);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    int count = 5;
    const char* msg = "hello world\n";
    int len = strlen(msg);

    while(count--)
    {
        write(fd,msg,len);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

读文件
#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

int main()
{
    int fd = open("myfile",O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }

    char buf[1024];
    char *msg = "hello world\n";
    int len = strlen(msg);
    while(1)
    {
        ssize_t s = read(fd,buf,len);
        if(s > 0)
        {
            printf("%s",buf);
        }
        else
            break;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

通过上图我们可以很明显的看出系统调用接口和库函数的关系，可以认为，f#系列的函数，都是对系统调用的封装，方便二次开发。
（2）文件描述符fd
当我们打开文件时，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，即file结构体，来表示已经打开的文件。进程执行open系统调用时必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个*file指针，指向一张表files_struct,这张表包含一个文件指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针。所以，文件描述符本质上是文件指针数组的下标。只要拿着fd，就可以找到对应的文件。

从上面这张图可以看出文件描述符fd是一个从0开始的小整数。
那当我们关闭标准输入0时，重新打开一个文件，它的fd是多少呢？

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
    close(0);
    int fd = open("myfile",O_RDONLY);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open");
        return 1;
    }
    printf("fd:%d\n",fd);

    close(fd);
    return 0;
}

结果：

我们可以得出文件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，找到没有被使用的最小一个下标，作为新的文件描述符。而当关闭标准输出1时，会发生重定向，他将本来应该显示在屏幕上的内容显示到了一个打开的文件中。因为底层访问文件时，找的还是fd:1，而此时fd:1下标所表示的内容已经变成了一个新打开文件的地址，而不再是显示器的地址，所以会发生重定向。
（3）FILE结构体
从上面介绍我们可以得出访问文件都是通过fd访问的，所以file结构体里面一定封装了fd。那file里面还封装了什么？
先来看段代码：

#include<stdio.h>
#include<string.h>

int main()
{
    const char* msg1 = "hello fprintf\n";
    const char* msg2 = "hello fwrite\n";
    const char* msg3 = "hello writre\n";

    printf("%s",msg1);
    fwrite(msg2,strlen(msg2),1,stdout);
    write(1,msg3,strlen(msg3));

    fork();
    return 0;
}

结果：

但是对进程实现输出重定向后，发现结果变成：

除了write其他都输出了两次，这是为什么？
其实，这就牵扯到了缓冲区的概念。缓冲数据有三种方式：无缓冲、行缓冲和全缓冲。当数据写入显示器时是行缓冲，遇到 “\n”就输出，所以打印了三条语句。而往文件里面写入时是全缓冲，fork后，父子数据写时拷贝，当父进程准备刷新的时候，子进程有了相同的一份数据，随机产生两份数据，等进程退出后统一刷新，这两份数据都写入了文件中。
从上述例子可以看出，fwrite,printf库函数自带缓冲区，而write系统调用没有，足以说明，该缓冲区是二次加上的，又因为是C,所以由C库提供。
所以，C库当中的FILE结构体内部一定也封装了缓冲区。