【Linux】缓冲区与缓冲区的刷新策略-编程知识

1.缓冲区基础

1.1缓冲区的刷新策略

1.1.1三种刷新策略

1.1.2.两种强制刷新策略

2.用户级语言层缓冲区

2.1.默认在显示器输出

2.2.重定向到文件输出

2.3.write调用没有显示两份的原因

3.模拟实现文件缓冲区

3.1 myFileBuffer.h

3.2 myFileBuffer.c

4.系统内核缓冲区

最后

1.缓冲区基础

缓冲区本身就是一段内存，就是用来执行做缓存的一段内存空间。

内存对磁盘进行存储信息，称为外设IO，速度很慢

而缓冲区是，直接在内存中开辟一段空间，将数据拷贝在缓存区中，在缓存区的数据会定期刷新给磁盘，有效的节省了进程进行数据IO的时间。

1.1缓冲区的刷新策略

缓冲区会结合具体的设备执行自己的刷新策略。

1.1.1三种刷新策略

1.立即刷新无缓冲

2.行刷新行缓冲显示器（显示器设备特殊符合人类的阅读习惯，按行缓存提升效率不至于太低

3.缓冲区刷新全缓冲磁盘文件（效率最高，定期一次刷新出去

1.1.2.两种强制刷新策略

1.用户强制刷新 fflush()

2.进程退出，一般都要进行缓冲区刷新

2.用户级语言层缓冲区

这个缓冲区在C语言提供的FILE结构体中

测试代码：

  1 #include<stdio.h>2 #include<unistd.h>3 #include<string.h>4 5 int main()6 {7   printf("hello printf\n");8   fprintf(stdout,"hello fprintf\n");9   const char* fputsString="hello fputs\n";10   fputs(fputsString,stdout);11 12   //系统接口13   const char*  writeString="hello write\n";                  14   write(1,writeString,strlen(writeString));15                                            16   fork();17          18   return 0;19 }          20

在显示器上输出

重定向到文件输出

两种输出方式结果不同，其中重定向到文件输出的内容，比直接到显示器输出的内容c语言的接口多输出了一遍，是因为文件和显示器的缓冲区刷新策略不同。

在代码结束之前，先创建了子进程

2.1.默认在显示器输出

显示器的刷新策略是行缓冲刷新，在进程fork之前，三条c语言的内容已经被行刷新到显示器上。在fork后其FILE内部已经不存在对应的数据。

2.2.重定向到文件输出

文件的刷新策略是全缓冲，之前的显示函数虽然带了\n，但是不足以把文件的缓冲区写满，此时数据并没有刷新。

在执行fork时，创建子进程，紧接着就是进程退出，进程退出默认刷新缓冲区。此时发生写时拷贝，后面退出的进程会再刷新一份，所以最终数据显示了两份。

2.3.write调用没有显示两份的原因

write是系统调用接口，上面的过程都是采用的用户级语言层面给我们提供的缓冲区，write使用的不是FILE而是fd，更加底层。

3.模拟实现文件缓冲区

通过myFileBuffer.h和myFileBuffer.c两个文件，模拟实现语言级文件缓冲区FILE

3.1 myFileBuffer.h

  1 #pragma once2 #include<string.h>3 #include<sys/types.h>4 #include<sys/stat.h>5 #include<fcntl.h>6 #include<unistd.h>7 #include<assert.h>8 #include<errno.h>9 #include<stdlib.h>10 11 #define SIZE 1024                                                                                                                                            12           13 //刷新方式        14 #define SYNC_NOW 1 15 #define SYNC_LINE 216 #define SYNC_FULL 417                      18 typedef struct FILE_{ 19   int flags;//刷新方式   20   int fileno;//文件描述符21   int cap;//buffer总容量       22   int size;//buffer当前的使用量23   char buffer[SIZE];24 }_FILE;25                                                     26 _FILE* fopen_(const char*path_name,const char*mode);27 void fwrite_(const void *ptr,int num,_FILE *fp);28 void fclose_(_FILE* fp);29 void fflush_(_FILE *fp);

3.2 myFileBuffer.c

  1 #include"myFileBuffer.h"                                                                     2                                                                                                    3 _FILE* fopen_(const char*path_name,const char*mode){                                                  4                                                                                                      5   int flags=0;                                                                                    6   int defaultMode=0666;                                                                            7                                                                                                    8   //判断不同的打开方式设置flags 这里举例w a r                                                     9   if(strcmp(mode,"r")==0)                                                                          10   {                                                                              11     flags=O_RDONLY;                                                         12                                                                                  13   }                                                                                        14   else if(strcmp(mode,"w")==0)                                                                     15   {                                                                                                 16     flags=O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC;                                                                 17   }                                                                              18   else if(strcmp(mode,"a")==0)                                                                        19   {                                                                                                    20     flags=O_WRONLY|O_CREAT|O_APPEND;                                                                      21   }                                                                                                      22   else{                                                                                                         23                                                                                                      24   }   26   //根据不同的打开方式，打开文件                                                                                                     27   int fd=0;                                                                                                                      28   if(flags&O_RDONLY)29   {                                                                                                      30     fd=open(path_name,flags);                                                                                                                                31   }                                                                              32   else{                                                                     33     fd=open(path_name,flags,defaultMode);                                   34   }35 36   //printf("我的fd是 %d\n",fd);37   //如果打开失败38   if(fd<0)39   {40     const char* err=strerror(errno);41     write(2,err,strlen(err));42     return NULL;43   }44 45   //创建文件缓冲区并对其初始化46   _FILE*fp=(_FILE*)malloc(sizeof (_FILE));47   assert(fp);48   fp->flags=SYNC_LINE;//默认设置成行刷新49   fp->fileno=fd;50   fp->cap=SIZE;51   fp->size=0;52   memset(fp->buffer,0,SIZE);//初始化文件缓冲区53 54   return fp;55 }56 57 void fwrite_(const void *ptr,int num,_FILE *fp)                                                                                                              58 {59   //写到文件缓冲区中60   memcpy(fp->buffer+fp->size,ptr,num);//注意这里的起始地址61   fp->size+=num;62 63 //  printf("fd->fileno是 %d\n",fp->fileno);64 65   //判断是否刷新66   if(fp->flags&SYNC_NOW)67   {68     //立即刷新69     write(fp->fileno,fp->buffer,fp->size);70     fp->size=0;71   }72   else if(fp->flags&SYNC_FULL)73   {74     //等到缓冲区写满再刷新75     if(fp->size==fp->cap)76     {77       write(fp->fileno,fp->buffer,fp->size);78       fp->size=0;79     }80   }81   else if(fp->flags&SYNC_LINE)82   {83     if(fp->buffer[fp->size-1]=='\n')84     {                                                                                                                                                        85    //   printf("这里是行缓冲\n");86 87       write(fp->fileno,fp->buffer,fp->size);88       fp->size=0;89       //把_FILE缓冲区的内容拷贝到内核缓冲区中90     } 91   }92   else{93 94   }95 96 }97 void fclose_(_FILE* fp)98 {99   //文件退出前会强制刷新
100   fflush_(fp);
101   close(fp->fileno);
102 }
103 void fflush_(_FILE *fp)
104 {
105   //强制刷新
106   if(fp->size>0)
107   {
108     write(fp->fileno,fp->buffer,fp->size);
109     fp->size=0;
110   }
111 }