GLIBC中的库函数fflush究竟做了什么？

目录

目录 1

1. 库函数fflush原型 1

2. FILE结构体 1

3. fflush函数实现 2

4. fclose函数实现 4

附1：强弱函数名 5

附2：属性__visibility__ 6

1. 库函数fflush原型

先瞧瞧fflush的原型：

#include <stdio.h>

int fflush(FILE *stream);

可看到fflush操作的是FILE，这里的FILE又长什么样？如果参数传入NULL，则对所有已打开的有效。

2. FILE结构体

直接查看源码，或者在GDB上执行ptype，即可看到FILE的庐山真面目如下：

// The value returned by fgetc and similar functions to indicate the end of the file.

// #define EOF (-1)

type = struct _IO_FILE {

    int _flags;

    char *_IO_read_ptr;

    char *_IO_read_end;

    char *_IO_read_base;

    char *_IO_write_base; //  写缓冲区起始地址 (Start of put area)

    char *_IO_write_ptr; //  写的起始地址 (Current put pointer)

    char *_IO_write_end; //  写缓冲区的末端

    char *_IO_buf_base;

    char *_IO_buf_end;

    char *_IO_save_base;

    char *_IO_backup_base;

    char *_IO_save_end;

    _IO_marker *_markers;

    _IO_FILE *_chain;

    int _fileno; // 文件描述符

    int _flags2;

    __off_t _old_offset;

    unsigned short _cur_column;

    signed char _vtable_offset;

    char _shortbuf[1];

    _IO_lock_t *_lock;

    __off64_t _offset;

    void *__pad1;

    void *__pad2;

    void *__pad3;

    void *__pad4;

    size_t __pad5;

    int _mode; // 文件打开模式，参见系统调用open的mode参数取值

    char _unused2[20];

} FILE;

_IO_write_ptr和_IO_write_base之间为已写入缓冲区的数据，_IO_write_end和_IO_write_base为写缓冲区的大小，_IO_write_end和_IO_write_ptr之间为写缓冲区可用区域。

3. fflush函数实现

LIBC库函数fflush主要做的是借助系统调用write将_IO_write_ptr和_IO_write_base间的数据写入内核。可借助下列小段代码看出真相：

$ cat ggg.cpp

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

int main() {

  FILE* fp = fopen("/tmp/ggg.txt", "w+");

  if (fp == NULL) {

    perror("fopen");

    exit(1);

  }

  fputs("hello", fp); // 这一步并不会调用write

  fflush(fp); // 间接调用write

  fclose(fp);

  return 0;

}

借助GDB即可看到fflush时的调用栈：

(gdb) bt

#0  0x00007ffff72e0840 in write () from /lib64/libc.so.6

#1  0x00007ffff726cfb3 in _IO_new_file_write () from /lib64/libc.so.6

#2  0x00007ffff726e41c in __GI__IO_do_write () from /lib64/libc.so.6

#3  0x00007ffff726c810 in __GI__IO_file_sync () from /lib64/libc.so.6

#4  0x00007ffff72620a2 in fflush () from /lib64/libc.so.6

#5  0x00000000004007bd in main () at ggg.cpp:12

函数__GI__IO_file_sync源码：

int _IO_new_file_sync (FILE *fp)

{

  ssize_t delta;

  int retval = 0;

  /* char* ptr = cur_ptr(); */

  if (fp->_IO_write_ptr > fp->_IO_write_base)

    if (_IO_do_flush(fp)) return EOF;

  delta = fp->_IO_read_ptr - fp->_IO_read_end;

  if (delta != 0)

  {

    off64_t new_pos = _IO_SYSSEEK (fp, delta, 1);

    if (new_pos != (off64_t) EOF)

      fp->_IO_read_end = fp->_IO_read_ptr;

    else if (errno == ESPIPE)

      ; /* Ignore error from unseekable devices. */

    else

      retval = EOF;

  }

  if (retval != EOF)

    fp->_offset = _IO_pos_BAD;

  /* FIXME: Cleanup - can this be shared? */

  /*    setg(base(), ptr, ptr); */

  return retval;

}

libc_hidden_ver (_IO_new_file_sync, _IO_file_sync)

// 下面的“_f”类型为FILE

#define _IO_do_flush(_f)

  ((_f)->_mode <= 0

  ? _IO_do_write(_f, (_f)->_IO_write_base, (_f)->_IO_write_ptr-(_f)->_IO_write_base) 

  : _IO_wdo_write(_f, (_f)->_wide_data->_IO_write_base,

      ((_f)->_wide_data->_IO_write_ptr - (_f)->_wide_data->_IO_write_base)))

extern int _IO_do_write (FILE *, const char *, size_t);

libc_hidden_proto (_IO_do_write)

extern int _IO_wdo_write (FILE *, const wchar_t *, size_t);

libc_hidden_proto (_IO_wdo_write)

函数_IO_do_write源代码：

int

_IO_new_do_write (FILE *fp, const char *data, size_t to_do)

{

  // new_do_write实际调用write

  return (to_do == 0

  || (size_t) new_do_write (fp, data, to_do) == to_do) ? 0 : EOF;

}

libc_hidden_ver (_IO_new_do_write, _IO_do_write)

4. fclose函数实现

如果省掉fflush，代码变成如下：

$ cat ggg.cpp

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

int main() {

  FILE* fp = fopen("/tmp/ggg.txt", "w+");

  if (fp == NULL) {

    perror("fopen");

    exit(1);

  }

  fputs("hello", fp);

  //fflush(fp);

  fclose(fp);

  return 0;

}

可看到write发生在fclose时：

(gdb) bt

#0  0x00007ffff72e0840 in write () from /lib64/libc.so.6

#1  0x00007ffff726cfb3 in _IO_new_file_write () from /lib64/libc.so.6

#2  0x00007ffff726e41c in __GI__IO_do_write () from /lib64/libc.so.6

#3  0x00007ffff726dd10 in __GI__IO_file_close_it () from /lib64/libc.so.6

#4  0x00007ffff7261c40 in fclose@@GLIBC_2.2.5 () from /lib64/libc.so.6

#5  0x000000000040076d in main () at ggg.cpp:13

但如果在flcose之前已调用了fflush，则fclose时不会再调用write。

附1：强弱函数名

调用一个函数时，如果存在强符号，则调用强函数；否则如果存在弱符号，则调用弱函数，可简单将“弱函数”看成为函数指针，如果弱函数对应的函数并不存在，仍然可以编译链接成功，这个时候类似于野指针或空指针，运行时会段错误。

1) 定义弱函数名weak_alias

是一个宏，用来定义弱别名，GLIBC中大量使用，如：

weak_alias (_IO_fflush, fflush) // fflush为别名

2) 定义强弱函数名strong_alias

是一个宏，用来定义强别名，GLIBC中大量使用，如：

strong_alias (_IO_fflush, __fflush_unlocked)

3) 示例（f为弱函数名，_f为强函数名）：

$ cat aaa.c

#include <stdio.h>

static void f() __attribute__((weakref, alias("_f")));

int main() {

  f();

  return 0;

}

$ cat bbb.c

#include <stdio.h>

void _f() { printf("hello "); }

如果如下方式编译，则运行时段错误：

gcc -g -o aaa aaa.c

而如下方式，则实际执行文件bbb.c中的函数“_f”：

gcc -g -o aaa aaa.c bbb.c

4) GLIBC中weak_alias的定义（定义在文件libc-symbols.h中）

/* Define ALIASNAME as a weak alias for NAME.

   If weak aliases are not available, this defines a strong alias.  */

# define weak_alias(name, aliasname) _weak_alias (name, aliasname)

# define _weak_alias(name, aliasname)

  extern __typeof (name) aliasname __attribute__ ((weak, alias (#name)))

    __attribute_copy__ (name);

也可用weak_hidden_alias定义隐藏别名：

/* Same as WEAK_ALIAS, but mark symbol as hidden.  */

# define weak_hidden_alias(name, aliasname) _weak_hidden_alias (name, aliasname)

# define _weak_hidden_alias(name, aliasname)

  extern __typeof (name) aliasname

    __attribute__ ((weak, alias (#name), __visibility__ ("hidden"))) __attribute_copy__ (name);

附2：属性__visibility__

先看一小段代码：

$ cat eee.cpp

#include <stdio.h>

__attribute ((visibility("default"))) void ff1() {

  printf("ff1 ");

}

__attribute ((visibility("hidden"))) void ff2() {

  printf("ff2 ");

}

$ g++ -g -o libeee.so -fPIC -shared eee.cpp

$ nm libeee.so

0000000000201030 B __bss_start

0000000000201030 b completed.6337

                 w __cxa_finalize@@GLIBC_2.2.5

0000000000000600 t deregister_tm_clones

0000000000000670 t __do_global_dtors_aux

0000000000200dd0 t __do_global_dtors_aux_fini_array_entry

0000000000200de0 d __dso_handle

0000000000200de8 d _DYNAMIC

0000000000201030 D _edata

0000000000201038 B _end

000000000000070c T _fini

00000000000006b0 t frame_dummy

0000000000200dc8 t __frame_dummy_init_array_entry

00000000000007c8 r __FRAME_END__

0000000000201000 d _GLOBAL_OFFSET_TABLE_

                 w __gmon_start__

00000000000005a0 T _init

                 w _ITM_deregisterTMCloneTable

                 w _ITM_registerTMCloneTable

0000000000200dd8 d __JCR_END__

0000000000200dd8 d __JCR_LIST__

                 w _Jv_RegisterClasses

                 U puts@@GLIBC_2.2.5

0000000000000630 t register_tm_clones

0000000000201030 d __TMC_END__

00000000000006e8 T _Z3ff1v

00000000000006fa t _Z3ff2v

上面中的“T”和“t”均表示该符号文本（代码）段在，但visibility为“default”的对应大写“T”，而visibility为“hidden”的对应小写“t”，为小写“t”的符号对外并不可见。

通过下段代码，可以看到引用大写“T”的符号，可得到预期的结果：

$ cat fff.cpp

extern void ff1();

int main() {

  ff1();

  return 0;

}

$ g++ -g -o fff fff.cpp libeee.so -Wl,-rpath=.

$ ./fff

ff1

而引用小写“t”的符号，在链接时报“符号未定义”错误：

$ cat fff2.cpp

extern void ff2();

int main() {

  ff2();

  return 0;

}

$ g++ -g -o fff2 fff2.cpp libeee.so -Wl,-rpath=.

/tmp/ccwoSyAu.o：在函数‘main’中：

/tmp/fff.cpp:3：对‘ff2()’未定义的引用

collect2: 错误：ld 返回 1
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