本文同时发表在 https://github.com/zhangyachen/zhangyachen.github.io/issues/123
写一下fopen/getc/putc等C库的粗略实现，参考了K&R，但是有几点根据自己理解的小改动，下面再具体说一下^_^
写这篇文章主要是帮助自己理解下标准I/O库大体是怎么工作的。
fopen与open之间的关系
操作系统提供的接口即为系统调用。而C语言为了让用户更加方便的编程，自己封装了一些函数，组成了C库。而且不同的操作系统对同一个功能提供的系统调用可能不同，在不同的操作系统上C库对用户屏蔽了这些不同，所谓一次编译处处运行。这里open为系统调用，fopen为C库提供的调用。
C库对的读写操作封装了一个缓冲区。试想假如用户频繁的对文件读写少量字符，会频繁的进行系统调用(read函数)，而系统调用比较耗时。C库自己封装了一个缓冲区，每次读取特定数据量到缓冲区，读取时优先从缓冲区读取，当缓冲区内容被读光后才进行系统调用将缓冲区再次填满。
FILE结构体
上面我们看到一个结构体，里面有5个参数，分别记录了：缓冲区剩余的字符数cnt、下一个字符的位置ptr、缓冲区的位置base、文件访问模式flag、文件描述符fd。
其中文件描述符就是系统调用open返回的文件描述符fd，是int类型。ptr与base上面图中已经展示了。cnt是缓冲区剩余字符数，当cnt为0时，会系统调用read来填满缓冲区。flag为文件访问模式，记录了文件打开方式、是否到达文件结尾等。
结构体的具体定义如下，对应调用fopen返回的文件指针FILE *fp = fopen(xxx,r)：
typedef struct _iobuf{
int cnt; //缓冲区剩余字节数
char *base; //缓冲区地址
char *ptr; //缓冲区下一个字符地址
int fd; //文件描述符
int flag; //访问模式
} FILE; //别名,与标准库一致结构体中有flag字段，flag字段可以是以下几种的并集：
enum _flags {
_READ = 1,
_WRITE = 2,
_UNBUF = 4, //不进行缓冲
_EOF = 8,
_ERR = 16
};我们注意到其中有一个字段，标识不进行缓冲，说明此种情况下每一次读取和输出都调用系统函数。一个例子就是标准错误流stderr : 当stderr连接的是终端设备时，写入一个字符就立即在终端设备显示。
而stdin和stdout都是带缓冲的，明确的说是行缓冲。本文不考虑行缓冲，默认都是全缓冲，即缓冲区满了才刷新缓冲区。（详细可以参考《UNIX环境高级编程》标准I/O库章节）。
现在我们可以初始化stdin、stdout与stderr：
FILE _iob[OPEN_MAX] = {
{0,NULL,NULL,_READ,0},
{0,NULL,NULL,_WRITE,1},
{0,NULL,NULL,_WRITE|_UNBUF,2}
};_ferror/_feof/_fileno
//判断文件流中是否有错误发生
int _ferror(FILE *f){
return f-> flag & _ERR;
}
//判断文件流是否到达文件尾
int _feof(FILE *f){
return f-> flag & _EOF;
}
//返回文件句柄，即open函数的返回值
int _fileno(FILE *f){
return f->fd;
}_fopen
FILE *_fopen(char *file,char *mode){
int fd;
FILE *fp;
if(*mode != 'r' && *mode != 'w' && *mode != 'a') {
return NULL;
}
for(fp = _iob; fp < _iob + OPEN_MAX; fp++) { //寻找一个空闲位置
if (fp->flag == 0){
break;
}
}
if(fp >= _iob + OPEN_MAX){
return NULL;
}
if(*mode == 'w'){
fd = creat(file,PERMS);
}else if(*mode == 'r'){
fd = open(file,O_RDONLY,0);
}else{ //a模式
if((fd = open(file,O_WRONLY,0)) == -1){
fd = creat(file,PERMS);
}
lseek(fd,0L,2); //文件指针指向末尾
}
if(fd == -1){
return NULL;
}
fp->fd = fd;
fp->cnt = 0; //fopen不分配缓存空间
fp->base = NULL;
fp->ptr = NULL;
fp->flag = *mode == 'r' ? _READ : _WRITE;
return fp;
}fopen的处理过程：
- 判断打开模式的合法性。
- 在_iob中寻找一个空闲位置，找不到的话说明程序打开的文件数已经到达的最大值，不能再打开新的文件。
- 如果是w模式，创建一个新文件。如果是r模式，以只读方式打开文件。如果是a模式，首先打开文件，如果打开失败则创建文件，否则通过系统调用lseek将文件指针置到末尾。
- 对FILE结构体进行初始化，注意fopen不会分配缓冲区。
_getc
getc的作用是从文件中返回下一个字符，参数是文件指针，即FILE：
int _getc(FILE *f){
return --f->cnt >= 0 ? *f->ptr++ : _fillbuf(f);
}对照上面的图示：当缓冲区中还有剩余字符待读取时，读取该字符并返回，并将缓冲区指针向后移动一个char单位，否则就调用_fillbuf函数填满缓冲区，_fillbuf的返回值就是待读取的字符。
这里有一个问题：当读取到最后一个字符时，cnt为0，但是ptr已经越界了，如下图：
这种情况虽然是非法的，但是C语言中保证：数组末尾之后的第一个元素（即&arr[n]，或者arr + n）的指针算术运算可以正确执行。下面的例子也是上述的一种应用场景：
int a[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
for(int *x = a;x < a + 10; x++){
printf("%d\n",*x);
}当for循环到最后一步时，x也指向了a[10]，虽然是非法的，但是C语言保证可以正确执行，只要不出现如下情况就ok：
int a[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
int *x;
for(x = a;x < a + 10; x++){
printf("%d\n",*x);
}
*x = 11; //越界进行值访问_fillbuf
我们看下_getc中的_fillbuf的实现，_fillbuf是当缓冲区没有可以读取的字符时，通过系统调用read读取一定字节的数据填满缓冲区，供之后使用：
int _fillbuf(FILE *f){
int bufsize;
if((f->flag & (_READ | _EOF | _ERR)) !=