重要概念:fopen()返回的是一個結(jié)構(gòu)體的指針

_IO_FILE 結(jié)構(gòu)體在什么時候被創(chuàng)建？

_IO_FILE 結(jié)構(gòu)體的實(shí)例是在程序使用標(biāo)準(zhǔn) I/O 函數(shù)（如 fopen、fclose、fread、fwrite 等）時創(chuàng)建和管理的。這個結(jié)構(gòu)體實(shí)際上是 GNU C Library (glibc) 用于處理文件流的底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。當(dāng)你在程序中打開一個文件或者創(chuàng)建一個流時，glibc 會在后臺分配和初始化一個 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體，并返回一個指向它的指針（即 FILE* 類型）。

下面是一些常見場景，說明 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體是如何被創(chuàng)建和使用的：

1. 使用 fopen 打開文件：
   當(dāng)你調(diào)用 fopen 打開一個文件時，glibc 會分配一個 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體并進(jìn)行初始化。例如：

   FILE *file = fopen("example.txt", "r");
   

   在這個例子中，fopen 函數(shù)會創(chuàng)建一個 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體實(shí)例來管理 example.txt 文件的讀操作，并返回一個指向該結(jié)構(gòu)體的指針 file。

2. 使用 fdopen 關(guān)聯(lián)文件描述符和文件流：
   如果你有一個現(xiàn)有的文件描述符，并希望將其與一個標(biāo)準(zhǔn) I/O 流關(guān)聯(lián)，可以使用 fdopen 函數(shù)：

   int fd = open("example.txt", O_RDONLY);
   FILE *file = fdopen(fd, "r");
   

   fdopen 會創(chuàng)建一個新的 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體實(shí)例，并將文件描述符 fd 關(guān)聯(lián)到這個結(jié)構(gòu)體上。

3. 標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出：
   標(biāo)準(zhǔn)輸入（stdin）、標(biāo)準(zhǔn)輸出（stdout）和標(biāo)準(zhǔn)錯誤（stderr）也是通過 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體來管理的。它們在程序啟動時由運(yùn)行時庫自動初始化。

   fprintf(stdout, "Hello, World!\n");
   

_IO_FILE 結(jié)構(gòu)體的創(chuàng)建過程

當(dāng)函數(shù)如 fopen 被調(diào)用時，glibc 內(nèi)部會進(jìn)行以下步驟：

1. 分配內(nèi)存：
   glibc 會調(diào)用內(nèi)存分配函數(shù)（如 malloc）為 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體分配內(nèi)存。

2. 初始化結(jié)構(gòu)體：
   分配內(nèi)存后，glibc 會初始化 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體的各個字段。例如，它會設(shè)置緩沖區(qū)指針、文件描述符、文件模式等。

3. 返回指針：
   初始化完成后，glibc 會返回一個指向這個 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體的指針，即 FILE* 類型的指針。

_IO_FILE 在文件流操作中的生命周期

1. 創(chuàng)建：
   當(dāng)你使用標(biāo)準(zhǔn) I/O 函數(shù)（如 fopen、fdopen）打開或創(chuàng)建一個文件流時，glibc 會創(chuàng)建一個 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體實(shí)例。

2. 使用：
   在文件流的生命周期內(nèi)，所有對該文件流的讀寫操作（如 fread、fwrite、fgets、fputs 等）都會通過這個 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體來管理緩沖區(qū)、文件描述符和流的狀態(tài)。

3. 銷毀：
   當(dāng)你調(diào)用 fclose 關(guān)閉文件流時，glibc 會執(zhí)行以下操作：

   • 刷新緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)（如果有需要）。
   • 釋放與文件流關(guān)聯(lián)的資源（如緩沖區(qū)內(nèi)存）。
   • 關(guān)閉文件描述符。
   • 最后，釋放 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存。

示例代碼

以下是一個簡單的示例代碼，展示了 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體實(shí)例的創(chuàng)建和使用過程：

#include <stdio.h>int main() {// 打開文件，創(chuàng)建一個 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體實(shí)例FILE *file = fopen("example.txt", "w");if (file == NULL) {perror("Failed to open file");return 1;}// 使用文件流進(jìn)行寫操作fprintf(file, "Hello, World!\n");// 關(guān)閉文件，銷毀 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體實(shí)例fclose(file);return 0;
}

在這個示例中，當(dāng)調(diào)用 fopen 時，glibc 會創(chuàng)建并初始化一個 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體實(shí)例。當(dāng)調(diào)用 fclose 時，glibc 會銷毀這個實(shí)例并釋放相關(guān)資源。

_IO_FILE 結(jié)構(gòu)體

在 Linux 系統(tǒng)中，_IO_FILE 結(jié)構(gòu)體是 GNU C Library (glibc) 中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn) I/O (stdio) 的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一。它用于描述文件流（FILE*）的內(nèi)部狀態(tài)和緩沖區(qū)信息。理解 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體對于某些高級的漏洞利用技術(shù)（如利用格式字符串漏洞或緩沖區(qū)溢出漏洞）非常重要。

以下是 _IO_FILE 結(jié)構(gòu)體的一般布局（具體布局可能會隨著 glibc 版本的不同而變化）：

struct _IO_FILE {int _flags;                // 文件流的狀態(tài)標(biāo)志char* _IO_read_ptr;        // 緩沖區(qū)讀取指針char* _IO_read_end;        // 緩沖區(qū)讀取結(jié)束指針char* _IO_read_base;       // 緩沖區(qū)讀取基地址char* _IO_write_base;      // 緩沖區(qū)寫入基地址char* _IO_write_ptr;       // 緩沖區(qū)寫入指針char* _IO_write_end;       // 緩沖區(qū)寫入結(jié)束指針char* _IO_buf_base;        // 緩沖區(qū)基地址char* _IO_buf_end;         // 緩沖區(qū)結(jié)束地址char *_IO_save_base;       // 保存的緩沖區(qū)基地址char *_IO_backup_base;     // 備份的緩沖區(qū)基地址char *_IO_save_end;        // 保存的緩沖區(qū)結(jié)束地址struct _IO_marker *_markers; // 標(biāo)記鏈表struct _IO_FILE *_chain;   // 文件流鏈表int _fileno;               // 文件描述符int _flags2;               // 額外的標(biāo)志__off_t _old_offset;       // 舊的偏移量unsigned short _cur_column;// 當(dāng)前列號signed char _vtable_offset;// 虛表偏移char _shortbuf[1];         // 短緩沖區(qū)_IO_lock_t *_lock;         // 鎖__off64_t _offset;         // 偏移量void *__pad1;              // 填充void *__pad2;              // 填充void *__pad3;              // 填充void *__pad4;              // 填充size_t __pad5;             // 填充int _mode;                 // 模式char _unused2[15 * sizeof (int) - 4 * sizeof (void *) - sizeof (size_t)];// 未使用的填充
};

關(guān)鍵字段

• _flags: 用于描述文件流的狀態(tài)標(biāo)志，例如是否為讀模式、寫模式等。
• _IO_read_ptr, _IO_read_end, _IO_read_base: 分別指向當(dāng)前讀取的位置、讀取的結(jié)束位置和讀取緩沖區(qū)的基地址。
• _IO_write_base, _IO_write_ptr, _IO_write_end: 分別指向當(dāng)前寫入的位置、寫入的結(jié)束位置和寫入緩沖區(qū)的基地址。
• _IO_buf_base, _IO_buf_end: 分別指向緩沖區(qū)的基地址和結(jié)束地址。
• _IO_save_base, _IO_backup_base, _IO_save_end: 用于保存緩沖區(qū)狀態(tài)的指針。
• _markers: 指向標(biāo)記結(jié)構(gòu)的鏈表，用于支持多種流操作。
• _chain: 指向下一個文件流的指針，形成一個文件流鏈表。
• _fileno: 文件描述符。
• _flags2: 額外的標(biāo)志位。
• _old_offset: 用于記錄偏移量。
• _cur_column: 當(dāng)前列號，主要用于格式化輸出。
• _vtable_offset: 虛表偏移，用于支持面向?qū)ο蟮牟僮鳌?/li>
• _shortbuf: 一個短緩沖區(qū)。
• _lock: 指向用于同步的鎖。
• _offset: 文件流的位置偏移量。
• 填充字段: 用于對齊和擴(kuò)展。

stdin、stdout 和 stderr指針

這些指針是程序的標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出和標(biāo)準(zhǔn)錯誤流（stdin、stdout 和 stderr）在內(nèi)存中的地址。它們是全局變量，通常在程序啟動時被初始化，以指向相應(yīng)的 FILE 結(jié)構(gòu)體。

解釋每個指針

1. stdout （標(biāo)準(zhǔn)輸出）

   • 地址：0x602020
   • 指向的地址：0x00007fe6e8e03620

2. stdin （標(biāo)準(zhǔn)輸入）

   • 地址：0x602030
   • 指向的地址：0x00007fe6e8e028e0

3. stderr （標(biāo)準(zhǔn)錯誤）

   • 地址：0x602040
   • 指向的地址：0x00007fe6e8e03540

每個地址如 0x602020 是全局變量的地址，而對應(yīng)的值（如 0x00007fe6e8e03620）是這些全局變量指向的 FILE 結(jié)構(gòu)體實(shí)例的地址。

內(nèi)存布局和用途

1. stdout:

   • 地址：0x602020
   • 指向的地址：0x00007fe6e8e03620
   • 用途：標(biāo)準(zhǔn)輸出通常用于打印普通輸出信息，默認(rèn)連接到終端的顯示設(shè)備。

2. stdin:

   • 地址：0x602030
   • 指向的地址：0x00007fe6e8e028e0
   • 用途：標(biāo)準(zhǔn)輸入用于讀取輸入數(shù)據(jù)，默認(rèn)連接到終端的鍵盤輸入。

3. stderr:

   • 地址：0x602040
   • 指向的地址：0x00007fe6e8e03540
   • 用途：標(biāo)準(zhǔn)錯誤用于打印錯誤信息，默認(rèn)也連接到終端的顯示設(shè)備。

背后的機(jī)制

在程序啟動時，C 標(biāo)準(zhǔn)庫（如 glibc）會初始化這幾個標(biāo)準(zhǔn)流。具體來說，它們會分配相應(yīng)的 FILE 結(jié)構(gòu)體，并將 stdin、stdout 和 stderr 這些全局變量指向這些結(jié)構(gòu)體。

以下是一個簡化的示意圖，展示了這些指針和 FILE 結(jié)構(gòu)體的關(guān)系：

+----------------+           +----------------+
|  0x602020      | --------> | FILE for stdout|
|  (stdout)      |           | 0x00007fe6e8e03620 |
+----------------+           +----------------++----------------+           +----------------+
|  0x602030      | --------> | FILE for stdin |
|  (stdin)       |           | 0x00007fe6e8e028e0 |
+----------------+           +----------------++----------------+           +----------------+
|  0x602040      | --------> | FILE for stderr|
|  (stderr)      |           | 0x00007fe6e8e03540 |
+----------------+           +----------------+

示例代碼驗(yàn)證

下面是一些示例代碼，可以用來驗(yàn)證這些指針的地址：

#include <stdio.h>int main() {printf("Address of stdout: %p\n", (void*)&stdout);printf("Address of stdin: %p\n", (void*)&stdin);printf("Address of stderr: %p\n", (void*)&stderr);printf("Pointer value of stdout: %p\n", (void*)stdout);printf("Pointer value of stdin: %p\n", (void*)stdin);printf("Pointer value of stderr: %p\n", (void*)stderr);return 0;
}

運(yùn)行這段代碼，你應(yīng)該會看到標(biāo)準(zhǔn)流指針的地址和它們指向的 FILE 結(jié)構(gòu)體的地址，這與你提供的內(nèi)存地址應(yīng)該是一致的。

總結(jié)

這些指針（stdout、stdin 和 stderr）是全局變量，指向標(biāo)準(zhǔn) I/O 流的 FILE 結(jié)構(gòu)體實(shí)例。這些實(shí)例在程序啟動時由 C 標(biāo)準(zhǔn)庫初始化，用于管理標(biāo)準(zhǔn)輸入、輸出和錯誤流。