【Linux】语言层面缓冲区的刷新问题以及简易模拟实现

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前言

我们接下来要谈论的是我们语言层面的缓冲区（C，C++之类的），不是我们操作系统内核里面自带的缓冲区，我们每次在打开一个文件的时候，以C语言为例子，C语言会为我们所打开的这个文件分配一块缓冲区，用来缓存我们读写的数据`，这个缓冲区会被放在我们创建的FILE的结构体里面，里面存放着缓冲区的字段和维护信息

一、缓冲区刷新方法分类

a.无缓冲–直接刷新

b.行缓冲–不刷新，直到碰到\n才刷新

显示器写入一般采用的是行缓冲

c.全缓冲–缓冲区满了才刷新

文件写入一般采用的是全缓冲，缓冲区满了或者程序结束的时候刷新

二、 缓冲区的常见刷新问题

1.问题

我们将可执行文件内容重定向到log1里面

最后我们发现与C有关的接口被打印了两次，这是什么原因呢？

之前我们说过，我们朝文件里面写入是全缓冲，也就是等缓冲区满了或者程序结束的时候去刷新，打印两次的都是属于C语言的接口， 其会建立一个语言层面的缓冲区， 我们在fork之前，printf，fprintf，fwrite写入的数据都存放在语言层面的缓冲区，fork之后创建子进程，子进程对父进程的数据内容进行拷贝，因为此时缓冲区为刷新，子进程会连同父进程语言层面缓冲区内容一起拷贝
所以之后，父子进程语言层面的缓冲区中都存放着相同的数据，在程序结束的时候会对语言层面的缓冲区进行刷新，将其刷新到系统里面的缓冲区，

若子进程先刷新，因为对父进程数据进行更改了（即清空语言缓冲区），这个时候会发生写实拷贝，之后子进程缓冲区的数据就被刷新到系统缓冲区了。
父进程同理，也会进行一遍缓冲区的刷新，父子进程都对数据进行了刷新写入系统缓冲区，所以文件里面就会写入两次。

wirite属于系统接口，调用以后会直接写入到内核缓冲区里面，之后写入硬盘文件中，没有语言层面缓冲区概念，所以只写入文件一次

2.刷新本质

用户刷新的本质是通关重定向到文件描述符为1的文件（stdout）+write写入内核缓冲区，FILE对象属于用户不是操作系统，FILE里面的缓冲区属于语言层面的缓冲区（用户级缓冲区），目前我们认为，只要数据刷新到了内核中，数据就可以写入硬件了

这些C接口最后写入内核缓冲区，本质都是调用write的系统接口

三、模拟实现

1.Mystdio.h

#include<string.h>#defineSIZE1024#defineFLUSH_NOW1//无缓冲#defineFLUSH_LINE2//行缓冲#defineFLUSH_ALL4//全缓冲typedefstructIO_FILE{int fileno;//文件描述符int flag;//刷新方式char outbuffer[SIZE];// 简单模拟语言层缓冲区int out_pos;//缓冲区当前大小}_FILE;

_FILE *_fopen(constchar*filename,constchar*flag);int_fwrite(_FILE *fp,constchar*s,int len);void_fclose(_FILE *fp);

2.Mystdio.c

#include"Mystdio.h"#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<stdlib.h>#include<unistd.h>#include<assert.h>#defineFILE_MODE0666//文件默认权限

 
_FILE *_fopen(constchar*filename,constchar*flag){assert(filename);assert(flag);int f =0;//文件的写入方式int fd =-1;//文件描述符if(strcmp(flag,"w")==0){
        f =(O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC);
        fd =open(filename, f, FILE_MODE);//获取文件描述符}elseif(strcmp(flag,"a")==0){
        f =(O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND);
        fd =open(filename, f, FILE_MODE);}elseif(strcmp(flag,"r")==0){
        f = O_RDONLY;
        fd =open(filename, f);}elsereturnNULL;if(fd ==-1)returnNULL;

    _FILE *fp =(_FILE*)malloc(sizeof(_FILE));//创建文件指针结构体if(fp ==NULL)returnNULL;

    fp->fileno = fd;//fp->flag = FLUSH_LINE;
    fp->flag = FLUSH_ALL;
    fp->out_pos =0;return fp;}int_fwrite(_FILE *fp,constchar*s,int len){// "abcd\n"memcpy(&fp->outbuffer[fp->out_pos], s, len);// 没有做异常处理, 也不考虑局部问题
    fp->out_pos += len;if(fp->flag&FLUSH_NOW)//无缓冲{write(fp->fileno, fp->outbuffer, fp->out_pos);
        fp->out_pos =0;}elseif(fp->flag&FLUSH_LINE)//行缓冲{if(fp->outbuffer[fp->out_pos-1]=='\n'){// 不考虑其他情况write(fp->fileno, fp->outbuffer, fp->out_pos);
            fp->out_pos =0;}}elseif(fp->flag & FLUSH_ALL)//全缓冲{if(fp->out_pos == SIZE){write(fp->fileno, fp->outbuffer, fp->out_pos);
            fp->out_pos =0;}}return len;}void_fflush(_FILE *fp)//手动刷新缓冲区{if(fp->out_pos >0){write(fp->fileno, fp->outbuffer, fp->out_pos);
        fp->out_pos =0;}}void_fclose(_FILE *fp){if(fp ==NULL)return;_fflush(fp);close(fp->fileno);free(fp);}

3.main.c

#include"Mystdio.h"#include<unistd.h>#definemyfile"test.txt"intmain(){
    _FILE *fp =_fopen(myfile,"a");if(fp ==NULL)return1;constchar*msg ="hello world\n";int cnt =10;while(cnt){_fwrite(fp, msg,strlen(msg));// fflush(fp);sleep(1);
        cnt--;}_fclose(fp);return0;}