【Linux】理解缓冲区

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一.引入

我们发现 printf 和 fwrite （库函数）都输出了2次，而 write 只输出了一次（系统调用）。为什么呢？肯定和fork有关！

C接口的函数被打印了两次系统接口前后只是打印了一次：和fork函数有关，fork会创建子进程。在创建子进程的时候，数据会被处理成两份，父子进程发生写时拷贝，我们进行printf调用数据的时候，数据写到显示器外设上，就不属于父进程了，数据没被写到显示器上，依旧属于父进程，而调用printf并不一定把数据刷到显示器上，没有被显示本质就是数据没有从内存到外设，所以这份没有被显示的数据依旧属于这进程，当我们去fork的时候，进程退出要刷新缓冲区，此时刷新的过程就是把数据从内存刷新到外设，刷新到外设的同时，也会把程序内部的缓冲区的数据直接清走，这就是写入，跟写时拷贝有关系

对于这个现象的问题我们可以直接往下看👇

二.认识缓冲区

1.为什么

缓冲区的本质就是一段内存。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。

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。

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。

2.刷新策略

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：

1.立即刷新——无缓冲 ，场景较少，比如调用printf直接fflush

2.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

3.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

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。

3.在哪里

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！

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

从源码出发，我们可以来看一看FILE结构体：

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。

现在，我们现在重新来看一看刚开始的现象：

1.如果我们没有进行重定向>，看到了4条消息，stdout默认使用的是行刷新，在进程fork之前，三条C函数已经将数据打印输出到显示器上（外设），你的FILE内部进程内部就不存在对应的数据了。

2.如果我们进行了重定向>，写入文件不在是显示器，而是普通文件，采用的刷新策略是全缓冲，之前的3条C函数虽然带了\n，但是不足以将stdout缓冲区写满，所以数据并没有刷新！ 在执行fork的时候，stdout属于父进程，fork创建子进程紧接着就是进程退出，谁先退出就要进行缓冲区刷新，刷新的本质就是修改，修改的时候发生写时拷贝！所以数据最终会显示两份！上面的过程都和write无关，write没有FILE，而用的是fd，就没有C提供的缓冲区！

简单总结来说：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

三、理解缓冲区

对于缓冲区的理解我们可以自己通过代码来简单实现：

FILE_结构体的设计，这里为了避免与FILE发生冲突，我们命名为FILE_：

#define SIZE 1024
typedef struct _FILE
{
    int flags;//刷新方式
    int fileno;//文件描述符
    int cap;//buffer的总容量
    int size;//buffer当前使用量
    char buffer[SIZE];//缓冲区                                                                              }FILE_;               

主函数：

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

对于C语言来说，文件接口一旦打开成功，其余接口要带上FILE*，因为FILE结构体里包含了各种数据：

下面是我们需要自己实现的文件接口：

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

void fflush_(FILE_*fp);

void fclose_(FILE_* fp);

fopen_:打开我们需要去判断具体是按什么方式打开：

FILE_ *fopen_(const char *path_name, const char *mode)
{
    int flags = 0;
    int defaultMode=0666; //设置默认权限
    //读方式
    if(strcmp(mode, "r") == 0)
    {
        flags |= O_RDONLY;
    }
    //写方式
    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
    {
        //其他方式这里就不展开了
    }
    int fd = 0;

    if(flags & O_RDONLY) fd = open(path_name, flags);
    else fd = open(path_name, flags, defaultMode);
    //处理打开失败
    if(fd < 0)
    {
        const char *err = strerror(errno);
        write(2, err, strlen(err));
        return NULL; 
    }
    //打开成功
    FILE_ *fp = (FILE_*)malloc(sizeof(FILE_));
    assert(fp);

    fp->flags = SYNC_LINE; //默认设置成为行刷新
    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)
{
    // 写入到缓冲区中
    memcpy(fp->buffer+fp->size, ptr, num); //不考虑缓冲区溢出的问题
    fp->size += num;
    // 判断是否刷新
    if(fp->flags & SYNC_NOW)
    {
        write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
        fp->size = 0; //清空缓冲区
    }
    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在这个地方不考虑
        {
            write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
            fp->size = 0;
        }
    }
    else{
    }
}

fclose:

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

fflush_:这里将数据强制要求操作系统进行外设刷新要用到fsync：

void fflush_(FILE_ *fp)
{
    if( fp->size > 0) write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
    fsync(fp->fileno); //将数据，强制要求OS进行外设刷新！
    fp->size = 0;
}