一.引入

我們發(fā)現(xiàn) printf 和 fwrite （庫函數(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？肯定和fork有關(guān)！

C接口的函數(shù)被打印了兩次系統(tǒng)接口前后只是打印了一次：和fork函數(shù)有關(guān)，fork會(huì)創(chuàng)建子進(jìn)程。在創(chuàng)建子進(jìn)程的時(shí)候，數(shù)據(jù)會(huì)被處理成兩份，父子進(jìn)程發(fā)生寫時(shí)拷貝，我們進(jìn)行printf調(diào)用數(shù)據(jù)的時(shí)候，數(shù)據(jù)寫到顯示器外設(shè)上，就不屬于父進(jìn)程了，數(shù)據(jù)沒被寫到顯示器上，依舊屬于父進(jìn)程，而調(diào)用printf并不一定把數(shù)據(jù)刷到顯示器上，沒有被顯示本質(zhì)就是數(shù)據(jù)沒有從內(nèi)存到外設(shè)，所以這份沒有被顯示的數(shù)據(jù)依舊屬于這進(jìn)程，當(dāng)我們?nèi)ork的時(shí)候，進(jìn)程退出要刷新緩沖區(qū)，此時(shí)刷新的過程就是把數(shù)據(jù)從內(nèi)存刷新到外設(shè)，刷新到外設(shè)的同時(shí)，也會(huì)把程序內(nèi)部的緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)直接清走，這就是寫入，跟寫時(shí)拷貝有關(guān)系

對(duì)于這個(gè)現(xiàn)象的問題我們可以直接往下看??

二.認(rèn)識(shí)緩沖區(qū)

1.為什么

緩沖區(qū)的本質(zhì)就是一段內(nèi)存。在內(nèi)存空間中預(yù)留了一定的存儲(chǔ)空間，這些存儲(chǔ)空間用來緩沖輸入或輸出的數(shù)據(jù)，這部分預(yù)留的空間就叫做緩沖區(qū)。

數(shù)據(jù)如果直接從內(nèi)存到磁盤，在內(nèi)存中速度快，但是訪問外設(shè)效率比較低，那太消耗時(shí)間了，屬于外設(shè)IO，所以緩沖區(qū)的意義就是節(jié)省進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)IO的時(shí)間！進(jìn)程需要把數(shù)據(jù)拷貝到緩沖區(qū)里：我們并不需要拷貝，而是調(diào)用fwrite，與其理解fwrite是寫入到文件的函數(shù)，倒不如理解fwrite是拷貝函數(shù)，將數(shù)據(jù)從進(jìn)程拷貝到緩沖區(qū)或者外設(shè)當(dāng)中。

數(shù)據(jù)可以直接拷貝到緩沖區(qū)，高速設(shè)備不用在等待低速設(shè)備，提高計(jì)算機(jī)的效率。

2.刷新策略

緩沖區(qū)的刷新策略：如果有一塊數(shù)據(jù)，一次寫入到外設(shè)（效率最高）vs如果有一塊數(shù)據(jù)，多次少量寫入到外設(shè)，需要多次IO

緩沖區(qū)一定結(jié)合具體的設(shè)備定制自己的刷新策略：

1.立即刷新——無緩沖 ，場(chǎng)景較少，比如調(diào)用printf直接fflush

2.行刷新——行緩沖——顯示器 ，數(shù)據(jù)的printf帶上\n就會(huì)立馬顯示到顯示器上。顯示器為什么是行緩沖：顯示器是外設(shè)，進(jìn)程運(yùn)行時(shí)在內(nèi)存里的，把數(shù)據(jù)定期要刷新到外設(shè)，顯示器設(shè)備比較特殊，是給用戶來看的，從左到右，所以顯示器為了保證刷新效率，并且用戶體驗(yàn)良好，所以顯示器采用行緩沖，滿足用戶的閱讀體驗(yàn)并且在一定程度上效率不至于太低

3.緩沖區(qū)滿——全緩沖——磁盤文件，效率最高，只需要一次IO，比如文件讀寫的時(shí)候，直接寫到磁盤文件

但是存在特殊情況：a.用戶強(qiáng)制刷新 b,進(jìn)程退出——一般到要進(jìn)行緩沖區(qū)刷新

所以對(duì)于全緩沖，緩沖區(qū)滿了采取刷新，減少IO次數(shù)，提高效率。

3.在哪里

緩沖區(qū)的位置究竟在哪里：從上面的例子我們直接往顯示器上打印結(jié)果為4條，往文件打印為7條，這跟緩沖區(qū)有關(guān)，同時(shí)這也說明了緩沖區(qū)一定不在內(nèi)核中，為什么？如果在內(nèi)核中write也應(yīng)該打印兩次，write是系統(tǒng)接口。我們之前談?wù)摰乃芯彌_區(qū)都指的是用戶級(jí)語言層面提供的緩沖區(qū)。這個(gè)緩沖區(qū)，在stdout,stdin,stderr對(duì)應(yīng)的類型---->FILE*,FILE是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，里面封裝了fd，同時(shí)還包括了一個(gè)緩沖區(qū)！

FILE結(jié)構(gòu)體緩沖區(qū)，所以我們直接要強(qiáng)制刷新的時(shí)候fflush(文件指針)，關(guān)閉文件fclose(文件指針)，這是因?yàn)閭鬟M(jìn)去的文件指針對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)

從源碼出發(fā)，我們可以來看一看FILE結(jié)構(gòu)體：

所以我們一般所說的緩沖區(qū)是語言級(jí)別的緩沖區(qū)，C語言提供的在FILE結(jié)構(gòu)體里對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)。

現(xiàn)在，我們現(xiàn)在重新來看一看剛開始的現(xiàn)象：

1.如果我們沒有進(jìn)行重定向>，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)打印輸出到顯示器上（外設(shè)），你的FILE內(nèi)部進(jìn)程內(nèi)部就不存在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)了。

2.如果我們進(jìn)行了重定向>，寫入文件不在是顯示器，而是普通文件，采用的刷新策略是全緩沖，之前的3條C函數(shù)雖然帶了\n，但是不足以將stdout緩沖區(qū)寫滿，所以數(shù)據(jù)并沒有刷新！ 在執(zhí)行fork的時(shí)候，stdout屬于父進(jìn)程，fork創(chuàng)建子進(jìn)程緊接著就是進(jìn)程退出，誰先退出就要進(jìn)行緩沖區(qū)刷新，刷新的本質(zhì)就是修改，修改的時(shí)候發(fā)生寫時(shí)拷貝！所以數(shù)據(jù)最終會(huì)顯示兩份！上面的過程都和write無關(guān)，write沒有FILE，而用的是fd，就沒有C提供的緩沖區(qū)！

簡(jiǎn)單總結(jié)來說：重定向?qū)е滤⑿虏呗园l(fā)生了改變（由行緩沖變成了全緩沖）。同時(shí)發(fā)生了寫時(shí)拷貝，父子進(jìn)程各自刷新

三、理解緩沖區(qū)

對(duì)于緩沖區(qū)的理解我們可以自己通過代碼來簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)：

FILE_結(jié)構(gòu)體的設(shè)計(jì)，這里為了避免與FILE發(fā)生沖突，我們命名為FILE_：

#define SIZE 1024
typedef struct _FILE
{
    int flags;//刷新方式
    int fileno;//文件描述符
    int cap;//buffer的總?cè)萘?    int size;//buffer當(dāng)前使用量
    char buffer[SIZE];//緩沖區(qū)                                                                              }FILE_;               

主函數(shù)：

int main()        
{         
    //打開
    FILE_ *fp = fopen_("./log.txt","w");
    //打開失敗
    if(fp==NULL)                        
    {                                   
        return 1;
    }            
    int cnt = 10;
    const char*masg = "hello world ";
    while(1)                         
    {
        //寫入
        fwrite_(masg,strlen(masg),fp);
        //刷新
        fflush_(fp);
        //睡眠
        sleep(1);                     
        printf("count:%d\n",cnt);
        cnt--;                   
        if(cnt==0) break;        
    }   
    //關(guān)閉
    fclose_(fp);                                                                               
    return 0;                                                                                  
}                                                                                              

對(duì)于C語言來說，文件接口一旦打開成功，其余接口要帶上FILE*，因?yàn)镕ILE結(jié)構(gòu)體里包含了各種數(shù)據(jù)：

下面是我們需要自己實(shí)現(xiàn)的文件接口：

//打開
FILE_ * fopen_(const char*path_name,const char*mode);
//以下的接口都需要帶上FILE_*
void  fwrite_(const void *ptr,int num, FILE_*fp);

void fflush_(FILE_*fp);

void fclose_(FILE_* fp);

fopen_:打開我們需要去判斷具體是按什么方式打開：

FILE_ *fopen_(const char *path_name, const char *mode)
{
    int flags = 0;
    int defaultMode=0666; //設(shè)置默認(rèn)權(quán)限
    //讀方式
    if(strcmp(mode, "r") == 0)
    {
        flags |= O_RDONLY;
    }
    //寫方式
    else if(strcmp(mode, "w") == 0)
    {
        flags |= (O_WRONLY | O_CREAT |O_TRUNC);
    }
    //追加方式
    else if(strcmp(mode, "a") == 0)
    {
        flags |= (O_WRONLY | O_CREAT |O_APPEND);
    }
    //其他
    else
    {
        //其他方式這里就不展開了
    }
    int fd = 0;

    if(flags & O_RDONLY) fd = open(path_name, flags);
    else fd = open(path_name, flags, defaultMode);
    //處理打開失敗
    if(fd < 0)
    {
        const char *err = strerror(errno);
        write(2, err, strlen(err));
        return NULL; 
    }
    //打開成功
    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; 
}

fwrite_:

void fwrite_(const void *ptr, int num, FILE_ *fp)
{
    // 寫入到緩沖區(qū)中
    memcpy(fp->buffer+fp->size, ptr, num); //不考慮緩沖區(qū)溢出的問題
    fp->size += num;
    // 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(fp->buffer[fp->size-1] == '\n') // abcd\nefg在這個(gè)地方不考慮
        {
            write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
            fp->size = 0;
        }
    }
    else{
    }
}

fclose:

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

fflush_:這里將數(shù)據(jù)強(qiáng)制要求操作系統(tǒng)進(jìn)行外設(shè)刷新要用到fsync：文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-819040.html

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;
}

到了這里，關(guān)于【Linux】理解緩沖區(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)！