【Linux基础IO】深入解析Linux基础IO缓冲区机制：提升文件操作效率的关键

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❀Linux基础IO

前言：在Linux操作系统的广阔世界里，IO（输入/输出）操作是系统与外部设备（如硬盘、网络等）进行数据交换的基石。然而，直接而频繁地进行IO操作往往会成为系统性能的瓶颈，因为物理设备的访问速度远不及内存的处理速度。为了缓解这一矛盾，Linux引入了一系列高效的IO缓冲机制，通过在用户空间和内核空间之间设置缓冲区，以减少对物理设备的直接访问，从而提高数据处理的效率和系统的整体性能

学习Linux基础IO缓冲区，不仅是深入理解Linux操作系统内部工作原理的必经之路，也是优化系统性能、提升应用响应速度的关键技术之一。通过掌握IO缓冲区的概念、原理、管理机制以及优化策略，我们可以更好地理解和控制Linux系统的IO行为，从而在面对大数据量处理、高并发访问等挑战时，能够游刃有余地应对

让我们一同探索Linux IO缓冲区的奥秘，开启一段充满挑战与收获的学习之旅吧！

📒1. 什么是缓冲区

缓冲区（Buffer）在计算机科学中是一个重要的概念，它指的是一块用于临时存储数据的内存区域。缓冲区的主要目的是减少数据在传输或处理过程中的延迟，提高数据处理的效率，以及保护原始数据不被直接修改或破坏

验证缓冲区的存在：

printf("hello Linux");sleep(1);

如果我们让这段伪代码运行，它不会立刻打印，而是等到程序结束时才会输出内容

关于缓冲区我们可以借用下图来理解

**如果我们想将东西送给在异地的朋友时，我们不太可能亲自交到他的手上，我们可以通过菜鸟驿站将东西给他，当我们将快递交给快递站的时候，我们就认为将物品送出去了，但是在远方的朋友不会立刻受到快递，

并且快递站也不会只单独送你这一个快递，它会等快递到达一定数量才会开始派送

，这样会提高快递站的效率，这就和我们的缓冲区差不太多，所以缓冲区不会立刻刷新，它会等缓冲区内容到达一定数量，才会刷新缓冲区**

**

缓冲区的主要作用：提高使用者的效率

**

• 因为有缓冲区的存在，我们可以累计一部分在统一发送
• 通过批量处理数据，缓冲区可以减少CPU中断的次数，从而提高系统性能 在文件I/O操作中，操作系统可以将多个小的读写请求合并成较大的请求，以减少磁盘访问次数

📙2. stdio缓冲区机制

**stdio缓冲区机制是C语言标准输入输出库（stdio.h）提供的一种用于提高数据读写效率的机制。缓冲区是一段内存区域，用于临时存储输入输出数据，以减少对磁盘或终端的直接读写次数，从而提高程序性能。stdio库中的函数，如

printf、scanf、fread、fwrite

等，都使用了缓冲区机制**

🌞全缓冲、行缓冲与无缓冲

全缓冲：

• 在全缓冲模式下，当缓冲区被填满时，才会进行实际的I/O操作
• 默认情况下，对磁盘文件的读写操作采用全缓冲模式
• 缓冲区的大小通常是固定的，如4096字节（但可以通过setvbuf函数调整）

行缓冲：

• 在行缓冲模式下，当遇到换行符（\n）时，会执行I/O操作
• 当流涉及终端（如标准输出stdout和标准输入stdin）时，通常使用行缓冲模式
• 这使得输出能够按行显示，而不是等到缓冲区满时才显示

无缓冲：

• 在无缓冲模式下，不对字符进行缓冲存储，即每次I/O操作都直接进行
• 标准错误流（stderr）通常是无缓冲的，以确保错误信息能够立即显示

⭐缓冲区刷新策略

缓冲区刷新是指将缓冲区中的数据写入到目标设备（如磁盘或终端）的过程。stdio库提供了多种缓冲区刷新策略，以确保数据的及时性和完整性

以上讲的内容都是缓冲区的一般刷新策略

特殊情况：

• 强制刷新
• 当进程退出时，通常会隐式地刷新所有未刷新的缓冲区

📚3. 典型函数与缓冲区操作

在C语言中，stdio库中的典型函数与缓冲区操作密切相关。缓冲区是内存中的一块区域，用于临时存储输入输出数据，以提高程序性能

我们来看一段代码：

#include<stdio.h>#include<sys/stat.h>#include<sys/types.h>#include<fcntl.h>#include<string.h>intmain(){printf("hello printf\n");fprintf(stdout,"hello fprintf\n");fputs("hello fputs\n",stdout);constchar*msg ="system call: hello write\n";write(1, msg,strlen(msg));return0;}

毋庸置疑，程序正常输出，我们来修改一下代码，看看会出现什么现象

**我们在代码中加入

fork()

：**

#include<stdio.h>#include<sys/stat.h>#include<sys/types.h>#include<fcntl.h>#include<string.h>intmain(){printf("hello printf\n");fprintf(stdout,"hello fprintf\n");fputs("hello fputs\n",stdout);constchar*msg ="system call: hello write\n";write(1, msg,strlen(msg));fork();return0;}

让我们分析一下为什么只有一行代码的差距，却有两种不同的结果

代码分析

• 我们直接向显示器打印时，显示器的刷新方式是行刷新，我们在输出的字符串中都有’\n’，我们在fork之前，所有数据均被刷新，包括system call
• 重定向到log.txt，本质是往磁盘中写入数据，这时我们的刷新方式是全缓冲
• 全缓冲就意味着，我们必须将缓冲区写满才会刷新，但是我们做不到，此时，数据依然存在于缓冲区
• 目前我们谈论的缓冲区，只与C语言相关
• C/C++提供的缓冲区，保存的一定是用户数据，属于进程在运行自己的数据，但是我们把数据交给OS时，数据就不再属于我们，而是属于OS
• 当进程退出时，一般会刷新缓冲区，而刷新缓冲区属于"清空"，"写入"操作，fork后，任意一个进程退出，都会刷新缓冲区，这时就会发生写时拷贝
• write属于系统调用，没有使用C语言缓冲区，直接将数据写入操作系统

📜4. 用户缓冲区和内核缓冲区

用户缓冲区和内核缓冲区是计算机系统中两个重要的概念，它们各自承担着不同的角色和功能，共同协作以提高系统的I/O性能和效率

📝5. FILE

在C语言中，FILE 是一个用于文件操作的结构体类型，它定义在 <stdio.h> 头文件中。FILE 结构体包含了文件操作的所有必要信息，比如文件的状态标志、当前的读写位置、缓冲区的地址等

**我们在打开，关闭，读写文件时，都有一个

FILE *

的指针，所以我们进行输入，输出时，都需要

FILE

，FILE是一个结构体，里面包含了fd，

FILE

也会提供独立一个缓冲区，我们来验证一下**

直接查看文件：

vim /usr/include/libio.h +246

🌸实现C标准库函数

这里也是简单实现了部分C标准库函数，感兴趣的朋友可以去看看
部分C标准库函数的模拟实现

📖6. 总结

在探索Linux基础IO缓冲区的旅程即将结束之际，我们不禁为这一强大而精细的机制所折服。IO缓冲区作为操作系统与用户程序之间数据传输的桥梁，不仅极大地提升了数据处理的效率，还巧妙地平衡了系统资源的使用与响应速度

通过本文的探讨，我们深入理解了Linux中IO缓冲区的核心概念、工作原理以及不同类型的缓冲区（如标准IO库缓冲、内核缓冲区等）之间的区别与联系。我们认识到，合理利用和配置缓冲区，对于优化程序性能、减少系统开销具有重要意义

在Linux的世界里，每一次对未知的探索，都是一次自我超越的旅程。愿我们都能在这条路上，越走越远，越走越宽。

希望本文能够为你提供有益的参考和启示，让我们一起在编程的道路上不断前行！
谢谢大家支持本篇到这里就结束了，祝大家天天开心！