前言

作者：小蝸牛向前沖

名言：我可以接受失敗，但我不能接受放棄

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?本期學(xué)習(xí)目標(biāo)：認(rèn)識(shí)什么是緩沖區(qū)，緩沖區(qū)在哪里，模擬實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的緩沖區(qū)。

目錄

一、緩沖區(qū)

1、見(jiàn)一個(gè)現(xiàn)象

2、緩沖區(qū)的相關(guān)知識(shí)

3、解釋現(xiàn)象?

二、模擬實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)?

1、makefile?

2、myStdio.h?

?3、myStdio.c

4、test.c?

一、緩沖區(qū)

我們?cè)谥囟ㄏ虿┛椭性?jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，在做重定向?qū)嶒?yàn)時(shí)，我們將文件描述符fd = 1關(guān)閉掉，并通過(guò)open函數(shù)打開（創(chuàng)建）add.txt的文件，由于fd = 1 被關(guān)閉了，根據(jù)文件描述符fd的分配規(guī)則：是從小到大?，遵循尋找最小而且沒(méi)有被占用的的fd分配。這時(shí)候fd = 1中file*的指針會(huì)指向add.txt文件中，就不在向顯示器打印了，而要將open fd的內(nèi)容寫到add.txt中，但是我們通過(guò)cat命令查看add.txt中的內(nèi)容卻什么也沒(méi)有，這是為什么呢？

這就不得不提緩沖區(qū)的概念，其實(shí)緩存區(qū)就是一段內(nèi)存，但是這段內(nèi)存是誰(shuí)申請(qǐng)的？屬于誰(shuí)的？為什么要有緩沖區(qū)呢？

下面我們來(lái)看一個(gè)現(xiàn)象:

1、見(jiàn)一個(gè)現(xiàn)象

首先我們分別調(diào)用C接口和系統(tǒng)接口進(jìn)行打印測(cè)試。

我們將mytest中的文件內(nèi)容輸出重定向到log.txt中，我們也在log.txt中查找到了輸出的內(nèi)容.

下面我們繼續(xù)進(jìn)行在代碼測(cè)試，在代碼最后用fork建立一個(gè)子進(jìn)程

運(yùn)行程序：

?我們發(fā)現(xiàn) printf 和 fprintf及fputs（庫(kù)函數(shù)）都輸出了2次，而 write 只輸出了一次（系統(tǒng)調(diào)用）。為什么呢？我們只是在多加了應(yīng)該子進(jìn)程而已，這說(shuō)明出現(xiàn)這種現(xiàn)象肯定是和fork函數(shù)有關(guān)。

2、緩沖區(qū)的相關(guān)知識(shí)

為什么庫(kù)函數(shù)會(huì)打印二次，而系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)只會(huì)被打印一次呢？毋庸置疑這肯定和緩沖區(qū)有關(guān)。

上面我們提到緩存沖區(qū)是一段內(nèi)存，那么既然是一段內(nèi)存肯定要被管理起來(lái)，而管理緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)體我們稱之為FILE,而且我們可以知道是緩沖區(qū)肯定不在內(nèi)核中。

我們也可以在系統(tǒng)中見(jiàn)一見(jiàn)他

//輸入命令
vim /usr/include/libio.h

?打開文件在246行這樣就能看到_IO_FILE的結(jié)構(gòu)體，不對(duì)啊吖，不是說(shuō)FILE才是管理緩沖區(qū)的嗎？

怎么變成了_IO_FILE的結(jié)構(gòu)體,其實(shí)在其實(shí)是在：

typedef struct _IO_FILE FILE; 在/usr/include/stdio.h

中進(jìn)行了重命名的，第48行就對(duì)_IO_FILE的結(jié)構(gòu)體進(jìn)行了typedef。

這里我們需要注意的是FILE結(jié)構(gòu)體中也封裝了fd，這就會(huì)在合適的時(shí)候，就會(huì)將在緩沖區(qū)中內(nèi)容刷新到外設(shè)中。

緩沖區(qū)的刷新幾種形式：?

立刻刷新? ? ? ?-----無(wú)緩沖

行刷新? ? ? ? ? ?------顯示器

緩沖區(qū)滿刷新? ? ?-------磁盤文件

?那我們?cè)趺蠢斫馍厦娴膸追N刷新方式呢?

立刻刷新是只直接在內(nèi)存中的信息，刷新到外設(shè)，這種場(chǎng)景是非常少見(jiàn)的，因?yàn)檫@樣非常消耗資源。

行刷新，就是緩沖區(qū)滿了一行就刷新，也就是說(shuō)我們?cè)谡{(diào)用函數(shù)時(shí)有"\n"時(shí)就會(huì)進(jìn)行刷新。

緩沖區(qū)滿刷新，就是指緩沖區(qū)的內(nèi)存滿了，才會(huì)把緩沖區(qū)里面的內(nèi)容刷新到外設(shè)中。

緩沖區(qū)的自動(dòng)刷新規(guī)則：

• 用戶強(qiáng)制刷新
• 進(jìn)程退出

3、解釋現(xiàn)象?

上面我們了解有關(guān)緩沖區(qū)的相關(guān)知識(shí)，那么為什么會(huì)出現(xiàn)我們上面的現(xiàn)象呢？

在代碼結(jié)束前我們進(jìn)行了子進(jìn)程的創(chuàng)建：

代碼結(jié)束之前，進(jìn)行創(chuàng)建子進(jìn)程
? ?1. 如果我們沒(méi)有進(jìn)行>,看到了4條消息
stdout 默認(rèn)使用的是行刷新，在進(jìn)程fork之前，三條C函數(shù)已經(jīng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行打印輸出到顯示器上(外設(shè)),你的FILE內(nèi)部，進(jìn)程內(nèi)部不存在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)啦。
? ? 2. 如果我們進(jìn)行了>, 寫入文件不再是顯示器，而是普通文件，采用的刷新策略是全緩沖，之前的3條c顯示函數(shù)，雖然帶了\n,但是不足以stdout緩沖區(qū)寫滿！數(shù)據(jù)并沒(méi)有被刷新?。?！
? ? 執(zhí)行fork的時(shí)候，stdout屬于父進(jìn)程，創(chuàng)建子進(jìn)程時(shí)， 緊接著就是進(jìn)程退出！誰(shuí)先退出，一定要進(jìn)行緩沖區(qū)刷新(就是修改)
? ? 由于寫時(shí)拷貝??！數(shù)據(jù)最終會(huì)顯示兩份，所以在父子進(jìn)程退出后，會(huì)立刻被緩沖區(qū)刷新，從而導(dǎo)致三條C函數(shù)分別進(jìn)行了二次打印。
3.?write為什么沒(méi)有呢？

上面的過(guò)程都和wirte無(wú)關(guān)，wirte沒(méi)有FILE，而用的是fd，就沒(méi)有C提供的緩沖區(qū)

?這里我們就可以回答：

緩沖區(qū)在哪里：

在FILE*指向的FILE結(jié)構(gòu)體中(這也就是為什么，我們自己要強(qiáng)制刷新的時(shí)候要傳文件指針,fflush(文件指針)，fclose（文件指針）)。

重定向?qū)嶒?yàn)的現(xiàn)象:

因?yàn)槲覀冸m然將open fd的內(nèi)容要寫入到add.txt中，但是由于add.txt是普通文件，他采取的方式是全緩存，就不足以以讓緩沖區(qū)刷新到顯示器(stdout）中，所以通過(guò)cat 命令查看會(huì)什么也查不出來(lái)。

二、模擬實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)?

這里我們分模塊化實(shí)現(xiàn)：

1、makefile?

這里我們用makefile來(lái)完成對(duì)程序的自動(dòng)化編譯和構(gòu)建程序：

test:test.c myStdio.c   //依賴關(guān)系                                                                                 
    gcc -o $@ $^ -std=c99//依賴方法
.PHONY:clean//聲明偽目標(biāo)clean
clean:
    rm -f test

2、myStdio.h?

在myStdio.h中對(duì)?緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義并且進(jìn)行相關(guān)的函數(shù)聲明：

#pragma once

#include <assert.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#define SIZE 1024
#define SYNC_NOW    1//sync能夠馬上刷新緩沖區(qū)（馬上刷新）
#define SYNC_LINE   2//行刷新
#define SYNC_FULL   4//全緩沖刷新

typedef struct _FILE{
    int flags; //刷新方式
    int fileno;
    int cap; //buffer的總?cè)萘?    int size; //buffer當(dāng)前的使用量
    char buffer[SIZE];
}FILE_;


FILE_ *fopen_(const char *path_name, const char *mode);
void fwrite_(const void *ptr, int num, FILE_ *fp);
void fclose_(FILE_ * fp);
void fflush_(FILE_ *fp)

?3、myStdio.c

?在myStdio.c中對(duì)?緩沖區(qū)功能函數(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn):

這里我們主要實(shí)現(xiàn):

fopen_打開文件。fwrite_x向文件中寫入，fflush_刷新緩沖區(qū),fclose_關(guān)閉文件

#include "myStdio.h"

FILE_ *fopen_(const char *path_name, const char *mode)
{
    int flags = 0;
    int defaultMode=0666;

    if(strcmp(mode, "r") == 0)
    {
        flags |= O_RDONLY;
    }
    else if(strcmp(mode, "w") == 0)
    {
        flags |= (O_WRONLY | O_CREAT |O_TRUNC);
    }
    else if(strcmp(mode, "a") == 0)
    {
        flags |= (O_WRONLY | O_CREAT |O_APPEND);
    }
    else
    {
        //TODO
    }
    int fd = 0;

    if(flags & O_RDONLY) fd = open(path_name, flags);
    else fd = open(path_name, flags, defaultMode);
    if(fd < 0)
    {
        const char *err = strerror(errno);
        write(2, err, strlen(err));
        return NULL; // 為什么打開文件失敗會(huì)返回NULL
    }
    FILE_ *fp = (FILE_*)malloc(sizeof(FILE_));
    assert(fp);

    fp->flags = SYNC_LINE; //默認(rèn)設(shè)置成為行刷新
    fp->fileno = fd;
    fp->cap = SIZE;
    fp->size = 0;
    memset(fp->buffer, 0 , SIZE);

    return fp; // 為什么你們打開一個(gè)文件，就會(huì)返回一個(gè)FILE *指針
}

void fwrite_(const void *ptr, int num, FILE_ *fp)
{
    // 1. 寫入到緩沖區(qū)中
    memcpy(fp->buffer+fp->size, ptr, num); //這里我們不考慮緩沖區(qū)溢出的問(wèn)題
    fp->size += num;

    // 2. 判斷是否刷新
    if(fp->flags & SYNC_NOW)
    {
        write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
        fp->size = 0; //清空緩沖區(qū)
    }
    else if(fp->flags & SYNC_FULL)
    {
        if(fp->size == fp->cap)
        {
            write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
            fp->size = 0;
        }
    }
    else if(fp->flags & SYNC_LINE)
    {
        if (strcmp(&(fp->buffer[fp->size - 1]), "\n") == 0)
        {
            write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
            fp->size = 0;
        }
    }
    else{

    }
}

void fflush_(FILE_ *fp)
{
    if( fp->size > 0) write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
    fsync(fp->fileno); //將數(shù)據(jù)，強(qiáng)制要求OS進(jìn)行外設(shè)刷新！
    fp->size = 0;
}

void fclose_(FILE_ * fp)
{
    fflush_(fp);
    close(fp->fileno);
}

4、test.c?

#include "myStdio.h"
#include <stdio.h>

int main()
{
    FILE_ *fp = fopen_("./hello.txt", "w");
    if(fp == NULL)
    {
        return 1;
    }
    int cnt = 10;
    const char *msg = "hello pjb ";
    while(1)
    {
        fwrite_(msg, strlen(msg), fp);
        sleep(1);
        printf("count: %d\n", cnt);
        cnt--;
        if(cnt == 0) break;
    }
    fclose_(fp);

    return 0;
}

?下面寫一個(gè)簡(jiǎn)單的bush腳本：

 while :; do cat hello.txt;sleep 1;echo "###############";done

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的 Bash 腳本，它的功能是循環(huán)讀取并打印文件 "hello.txt" 的內(nèi)容，并每隔 1 秒打印一條分隔線。

解釋一下腳本的含義：

• while :; do?表示開始一個(gè)無(wú)限循環(huán)。
• cat hello.txt?使用?cat?命令讀取并打印 "hello.txt" 文件的內(nèi)容。
• sleep 1?表示暫停執(zhí)行 1 秒，即等待一秒鐘。
• echo "###############"?打印一條分隔線，由多個(gè) "#" 字符組成。
• done?表示循環(huán)結(jié)束。

因此，執(zhí)行這段腳本時(shí)，會(huì)不斷循環(huán)讀取并打印 "hello.txt" 文件的內(nèi)容，每次打印之間會(huì)有一秒的暫停，并且在每次打印后會(huì)輸出一條分隔線。

請(qǐng)確保當(dāng)前目錄下存在名為 "hello.txt" 的文件，并且具有可讀權(quán)限。

測(cè)試：

?1、當(dāng)寫入文件的msg字符串不帶換行符時(shí)。

    const char *msg = "hello pjb ";

?

?這里我們觀察到當(dāng)程序結(jié)束時(shí)，才將緩沖區(qū)中的內(nèi)容刷新到hello.txt文件中。

2、當(dāng)寫入文件的msg字符串帶換行符

    const char *msg = "hello pjb\n";

這里名為可以驗(yàn)證到帶\n普通文件是逐行進(jìn)行刷新的。

緩沖區(qū)總結(jié) ：

看到這些現(xiàn)象我們不由的想緩存區(qū)的刷新策略：有全緩存，行緩沖，立即刷新。

上面是我們自己進(jìn)行的封裝，但是這和os（操作系統(tǒng)）有什么關(guān)系呢?下面來(lái)看一幅圖

?

這幅圖大致說(shuō)明了字符串，要寫入到文件中，需要經(jīng)過(guò)層層拷貝在?最終由操作系統(tǒng)(OS)決定刷新到磁盤文件中。

這里我們要注意的是，在有用戶刷新到C語(yǔ)言的緩沖區(qū)(FILE)中才會(huì)遵循全緩沖，行緩沖。對(duì)于操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)他會(huì)自己調(diào)配資源進(jìn)行刷新。

特別注意：

我們也可以強(qiáng)制OS刷新，調(diào)用fflush()就可以了。

ffush（）的底層：

void fflush_(FILE_ *fp)
{
    if( fp->size > 0) write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
    fsync(fp->fileno); //將數(shù)據(jù)，強(qiáng)制要求OS進(jìn)行外設(shè)刷新！
    fp->size = 0;
}

其實(shí)是調(diào)用來(lái)fsync的接口進(jìn)行強(qiáng)制刷新。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-725071.html

到了這里，關(guān)于[Linux打怪升級(jí)之路]-緩沖區(qū)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！