> 作者：?舊言~
> 座右銘：松樹千年終是朽，槿花一日自為榮。

> 目標(biāo)：理解緩沖區(qū)

> 毒雞湯：有些事情，總是不明白，所以我不會(huì)堅(jiān)持。早安!

> 專欄選自：Linux初階

> 望小伙伴們點(diǎn)贊??收藏?加關(guān)注喲????

??前言

緩沖區(qū)大家其實(shí)不陌生，像我們使用的 VS2019 編譯器這里就有緩沖區(qū)，那它到底在哪呢，比如我們打印時(shí)的窗口需要我們輸入，這里就有緩沖區(qū)。其實(shí)在輸入我們也好奇為什么編譯器會(huì)等待我們輸入，這里就不得不談我們緩沖區(qū)的相關(guān)知識(shí)，那具體是什么呢？今天我們來解開這層面紗。

?主體

學(xué)習(xí)【Linux】基礎(chǔ)IO----理解緩沖區(qū)咱們按照下面的圖解：

?? 認(rèn)識(shí)緩沖區(qū)

???為什么有緩沖區(qū)

概念：

緩沖區(qū) (buffer)，它是內(nèi)存空間的一部分。 也就是說，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)，顯然緩沖區(qū)是具有一定大小的。

理解：

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。

圖解：

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。

???緩沖區(qū)如何刷新

概念：

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

方法：

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

總結(jié)：

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。

???緩沖區(qū)在哪里呢

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)！

理解FILE結(jié)構(gòu)體緩沖區(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)。

查看源碼來解釋FILE結(jié)構(gòu)體：

??

分析：

總結(jié)：

• 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)。
• 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

?? 引入緩沖器

概念分析：

高速設(shè)備與低速設(shè)備的不匹配（cpu運(yùn)算是納秒，內(nèi)存是微秒，磁盤是毫秒甚至是秒相差1000倍），勢(shì)必會(huì)讓高速設(shè)備花時(shí)間等待低速設(shè)備，我們可以在這兩者之間設(shè)立一個(gè)緩沖區(qū)。

緩沖區(qū)優(yōu)點(diǎn)：

• 可以解除兩者的制約關(guān)系，數(shù)據(jù)可以直接送往緩沖區(qū)，高速設(shè)備不用再等待低速設(shè)備，提高了計(jì)算機(jī)的效率
• 可以減少數(shù)據(jù)的讀寫次數(shù)，如果每次數(shù)據(jù)只傳輸一點(diǎn)數(shù)據(jù)，就需要傳送很多次，這樣會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間，因?yàn)殚_始讀寫與終止讀寫所需要的時(shí)間很長(zhǎng)，如果將數(shù)據(jù)送往緩沖區(qū)，待緩沖區(qū)滿后再進(jìn)行傳送會(huì)大大減少讀寫次數(shù)，這樣就可以節(jié)省很多時(shí)間。例如：我們想將數(shù)據(jù)寫入到磁盤中，不是立馬將數(shù)據(jù)寫到磁盤中，而是先輸入緩沖區(qū)中，當(dāng)緩沖區(qū)滿了以后，再將數(shù)據(jù)寫入到磁盤中，這樣就可以減少磁盤的讀寫次數(shù)，不然磁盤很容易壞掉

?? 緩沖區(qū)答疑

???問題一：代碼分析

問題拋出：

分析結(jié)果：

同樣的一個(gè)程序，向顯示器打印輸出4行文本，向普通文件（磁盤上）打印的時(shí)候，變成了7行，說明上面測(cè)試，并不影響系統(tǒng)接口

1. C的IO接口是打印了2次的
2. 系統(tǒng)接口，只打印了一次

我們最后調(diào)用fork，上面的函數(shù)已經(jīng)被執(zhí)行完了，但不代表數(shù)據(jù)已經(jīng)被刷新了。

???問題二：緩沖區(qū)是誰提供

曾經(jīng)“我們所談的緩沖區(qū)”，絕對(duì)不是由OS提供的，如果是OS同一提供，那么我們上面的代碼，表現(xiàn)應(yīng)該是一樣的，而不是C的IO接口打印兩次，所以是C標(biāo)準(zhǔn)庫提供并且維護(hù)的用戶級(jí)緩沖區(qū)

fputs把不是直接把數(shù)據(jù)直接放進(jìn)操作系統(tǒng)，而是加載進(jìn)C標(biāo)準(zhǔn)庫的緩沖區(qū)中，加載完后自己可以直接返回；如果直接調(diào)用的是write接口，則是直接寫給OS，不經(jīng)過緩沖區(qū)

• C語言提供的接口都是向顯示器打印的，刷新策略都是行刷新，那么最后執(zhí)行fork的時(shí)候 —— 一定是函數(shù)執(zhí)行完了 && 數(shù)據(jù)已經(jīng)被刷新了（因?yàn)槎紟n）,所以fork執(zhí)行無意義
• 如你對(duì)應(yīng)的程序進(jìn)行了重定向 ——> 要向磁盤文件打印 ——> 隱形的刷新策略變成了全緩沖！—— > \n便沒有意義了 ——> 函數(shù)一定執(zhí)行完了，數(shù)據(jù)還沒有刷新?。?在當(dāng)前進(jìn)程對(duì)應(yīng)的C標(biāo)準(zhǔn)庫中的緩沖區(qū)中?。?/li>

?? 設(shè)計(jì)用戶緩沖區(qū)

代碼如下：

#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 1024

struct MyFILE_{
    int fd;             //文件描述符
    char buffer[1024];  // 緩沖區(qū)
    int end;            //當(dāng)前緩沖區(qū)的結(jié)尾
};

typedef struct MyFILE_ MyFILE;//類型重命名

MyFILE *fopen_(const char *pathname, const char *mode)
{
    assert(pathname);
    assert(mode);

    MyFILE *fp = NULL;//什么也沒做，最后返回NULL

    if(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;
}

//是不是應(yīng)該是C標(biāo)準(zhǔn)庫中的實(shí)現(xiàn)！
void fputs_(const char *message, MyFILE *fp)
{
    assert(message);
    assert(fp);

    strcpy(fp->buffer+fp->end, message); //abcde\0
    fp->end += strlen(message);

    //for debug
    printf("%s\n", fp->buffer);

    //暫時(shí)沒有刷新, 刷新策略是誰來執(zhí)行的呢？用戶通過執(zhí)行C標(biāo)準(zhǔn)庫中的代碼邏輯，來完成刷新動(dòng)作
    //這里效率提高，體現(xiàn)在哪里呢？？因?yàn)镃提供了緩沖區(qū)，那么我們就通過策略，減少了IO的執(zhí)行次數(shù)(不是數(shù)據(jù)量)
    if(fp->fd == 0)
    {
        //標(biāo)準(zhǔn)輸入
    }
    else if(fp->fd == 1)
    {
        //標(biāo)準(zhǔn)輸出
        if(fp->buffer[fp->end-1] =='\n' )
        {
            //fprintf(stderr, "fflush: %s", fp->buffer); //2
            write(fp->fd, fp->buffer, fp->end);
            fp->end = 0;
        }
    }
    else if(fp->fd == 2)
    {
        //標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤
    }
    else
    {
        //其他文件
    }
}

void fflush_(MyFILE *fp)
{
    assert(fp);

    if(fp->end != 0)
    {
        //暫且認(rèn)為刷新了--其實(shí)是把數(shù)據(jù)寫到了內(nèi)核
        write(fp->fd, fp->buffer, fp->end);
        syncfs(fp->fd); //將數(shù)據(jù)寫入到磁盤
        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);
   }

??結(jié)束語?

? ? ? ?今天內(nèi)容就到這里啦，時(shí)間過得很快，大家沉下心來好好學(xué)習(xí)，會(huì)有一定的收獲的，大家多多堅(jiān)持，嘻嘻，成功路上注定孤獨(dú)，因?yàn)閳?jiān)持的人不多。那請(qǐng)大家舉起自己的小手給博主一鍵三連，有你們的支持是我最大的動(dòng)力??????，回見。

文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-850362.html

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