【Linux】基础IO----理解缓冲区-编程知识

> 作者：დ旧言~
> 座右铭：松树千年终是朽，槿花一日自为荣。

> 目标：理解缓冲区

> 毒鸡汤：有些事情，总是不明白，所以我不会坚持。早安!

> 专栏选自：Linux初阶

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🌟前言

缓冲区大家其实不陌生，像我们使用的 VS2019 编译器这里就有缓冲区，那它到底在哪呢，比如我们打印时的窗口需要我们输入，这里就有缓冲区。其实在输入我们也好奇为什么编译器会等待我们输入，这里就不得不谈我们缓冲区的相关知识，那具体是什么呢？今天我们来解开这层面纱。

⭐主体

学习【Linux】基础IO----理解缓冲区咱们按照下面的图解：

🌙 认识缓冲区

💫 为什么有缓冲区

概念：

缓冲区 (buffer)，它是内存空间的一部分。也就是说，在内存空间中预留了一定的存储空间，这些存储空间用来缓冲输入或输出的数据，这部分预留的空间就叫做缓冲区，显然缓冲区是具有一定大小的。

理解：

数据如果直接从内存到磁盘，在内存中速度快，但是访问外设效率比较低，那太消耗时间了，属于外设IO，所以缓冲区的意义就是节省进程进行数据IO的时间！进程需要把数据拷贝到缓冲区里：我们并不需要拷贝，而是调用fwrite，与其理解fwrite是写入到文件的函数，倒不如理解fwrite是拷贝函数，将数据从进程拷贝到缓冲区或者外设当中。

图解：

数据可以直接拷贝到缓冲区，高速设备不用在等待低速设备，提高计算机的效率。

💫 缓冲区如何刷新

概念：

缓冲区的刷新策略：如果有一块数据，一次写入到外设（效率最高）vs如果有一块数据，多次少量写入到外设，需要多次IO。缓冲区一定结合具体的设备定制自己的刷新策略

方法：

立即刷新——无缓冲，场景较少，比如调用printf直接fflush
行刷新——行缓冲——显示器，数据的printf带上\n就会立马显示到显示器上。显示器为什么是行缓冲：显示器是外设，进程运行时在内存里的，把数据定期要刷新到外设，显示器设备比较特殊，是给用户来看的，从左到右，所以显示器为了保证刷新效率，并且用户体验良好，所以显示器采用行缓冲，满足用户的阅读体验并且在一定程度上效率不至于太低
缓冲区满——全缓冲——磁盘文件，效率最高，只需要一次IO，比如文件读写的时候，直接写到磁盘文件

总结：

但是存在特殊情况：a.用户强制刷新 b,进程退出——一般到要进行缓冲区刷新，所以对于全缓冲，缓冲区满了采取刷新，减少IO次数，提高效率。

💫 缓冲区在哪里呢

缓冲区的位置究竟在哪里？？？

从上面的例子我们直接往显示器上打印结果为4条，往文件打印为7条，这跟缓冲区有关，同时这也说明了缓冲区一定不在内核中，为什么？如果在内核中write也应该打印两次，write是系统接口。我们之前谈论的所有缓冲区都指的是用户级语言层面提供的缓冲区。这个缓冲区，在stdout,stdin,stderr对应的类型---->FILE*,FILE是一个结构体，里面封装了fd，同时还包括了一个缓冲区！

理解FILE结构体缓冲区：

FILE结构体缓冲区，所以我们直接要强制刷新的时候fflush(文件指针)，关闭文件fclose(文件指针)，这是因为传进去的文件指针对应的缓冲区。

查看源码来解释FILE结构体：

分析：

总结：

所以我们一般所说的缓冲区是语言级别的缓冲区，C语言提供的在FILE结构体里对应的缓冲区。
重定向导致刷新策略发生了改变（由行缓冲变成了全缓冲）。同时发生了写时拷贝，父子进程各自刷新

🌙 引入缓冲器

概念分析：

高速设备与低速设备的不匹配（cpu运算是纳秒，内存是微秒，磁盘是毫秒甚至是秒相差1000倍），势必会让高速设备花时间等待低速设备，我们可以在这两者之间设立一个缓冲区。

缓冲区优点：

可以解除两者的制约关系，数据可以直接送往缓冲区，高速设备不用再等待低速设备，提高了计算机的效率
可以减少数据的读写次数，如果每次数据只传输一点数据，就需要传送很多次，这样会浪费很多时间，因为开始读写与终止读写所需要的时间很长，如果将数据送往缓冲区，待缓冲区满后再进行传送会大大减少读写次数，这样就可以节省很多时间。例如：我们想将数据写入到磁盘中，不是立马将数据写到磁盘中，而是先输入缓冲区中，当缓冲区满了以后，再将数据写入到磁盘中，这样就可以减少磁盘的读写次数，不然磁盘很容易坏掉

🌙 缓冲区答疑

💫 问题一：代码分析

问题抛出：

分析结果：

同样的一个程序，向显示器打印输出4行文本，向普通文件（磁盘上）打印的时候，变成了7行，说明上面测试，并不影响系统接口

C的IO接口是打印了2次的
系统接口，只打印了一次

我们最后调用fork，上面的函数已经被执行完了，但不代表数据已经被刷新了。

💫 问题二：缓冲区是谁提供

曾经“我们所谈的缓冲区”，绝对不是由OS提供的，如果是OS同一提供，那么我们上面的代码，表现应该是一样的，而不是C的IO接口打印两次，所以是C标准库提供并且维护的用户级缓冲区

fputs把不是直接把数据直接放进操作系统，而是加载进C标准库的缓冲区中，加载完后自己可以直接返回；如果直接调用的是write接口，则是直接写给OS，不经过缓冲区

C语言提供的接口都是向显示器打印的，刷新策略都是行刷新，那么最后执行fork的时候 —— 一定是函数执行完了 && 数据已经被刷新了（因为都带\n）,所以fork执行无意义
如你对应的程序进行了重定向 ——> 要向磁盘文件打印 ——> 隐形的刷新策略变成了全缓冲！—— > \n便没有意义了 ——> 函数一定执行完了，数据还没有刷新！！在当前进程对应的C标准库中的缓冲区中！！

🌙 设计用户缓冲区

代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <assert.h>
#include <stdlib.h>#define NUM 1024struct MyFILE_{int fd;             //文件描述符char buffer[1024];  // 缓冲区int end;            //当前缓冲区的结尾
};typedef struct MyFILE_ MyFILE;//类型重命名MyFILE *fopen_(const char *pathname, const char *mode)
{assert(pathname);assert(mode);MyFILE *fp = NULL;//什么也没做，最后返回NULLif(strcmp(mode, "r") == 0){}else if(strcmp(mode, "r+") == 0){}else if(strcmp(mode, "w") == 0){int fd = open(pathname, O_WRONLY | O_TRUNC | O_CREAT, 0666);if(fd >= 0){fp = (MyFILE*)malloc(sizeof(MyFILE));memset(fp, 0, sizeof(MyFILE));fp->fd = fd;}}else if(strcmp(mode, "w+") == 0){}else if(strcmp(mode, "a") == 0){}else if(strcmp(mode, "a+") == 0){}else{//什么都不做}return fp;
}//是不是应该是C标准库中的实现！
void fputs_(const char *message, MyFILE *fp)
{assert(message);assert(fp);strcpy(fp->buffer+fp->end, message); //abcde\0fp->end += strlen(message);//for debugprintf("%s\n", fp->buffer);//暂时没有刷新, 刷新策略是谁来执行的呢？用户通过执行C标准库中的代码逻辑，来完成刷新动作//这里效率提高，体现在哪里呢？？因为C提供了缓冲区，那么我们就通过策略，减少了IO的执行次数(不是数据量)if(fp->fd == 0){//标准输入}else if(fp->fd == 1){//标准输出if(fp->buffer[fp->end-1] =='\n' ){//fprintf(stderr, "fflush: %s", fp->buffer); //2write(fp->fd, fp->buffer, fp->end);fp->end = 0;}}else if(fp->fd == 2){//标准错误}else{//其他文件}
}void fflush_(MyFILE *fp)
{assert(fp);if(fp->end != 0){//暂且认为刷新了--其实是把数据写到了内核write(fp->fd, fp->buffer, fp->end);syncfs(fp->fd); //将数据写入到磁盘fp->end = 0;}
}void fclose_(MyFILE *fp)
{assert(fp);fflush_(fp);close(fp->fd);free(fp);
}int main(){close(1);                                                                                MyFILE *fp = fopen_("./log.txt", "w");if(fp == NULL){printf("open file error");return 1;}fputs_("one:hello world error", fp);fputs_("two:hello world error", fp);fputs_("three:hello world error", fp);fputs_("four:hello world error", fp);fclose(fp);}