Linux文件：缓冲区、缓冲区刷新机制 | C库模拟实现

一、缓冲区的作用

 缓冲区本质上就是一部分内存，用于提高效率！！

 对于文件的IO等操作，用户可以直接通过系统调用直接向操作系统进行读操作和写操作。但这样时间开销较大。所以在语言层面一般会维护一段语言级别的缓冲区，用于暂存数据。我们可以快速向缓冲区中写入数据，然后通过一定的刷新方式。将数据从语言级别的缓冲区中拷贝到内核缓冲区。大大提高使用者的效率！！

&mesp;同时由于缓冲区的存在，我们可以积累一定的数据后在统一发生，提高发送的效率！！

二、缓冲区的刷新机制

 缓冲区可以暂存数据，必定存在一定的刷新机制。常见的刷新机制由以下3种：

1. 无缓冲（立即刷新）
2. 行缓冲（行刷新）
3. 全缓冲（缓冲区全部写满后在刷新）

 其中显示器文件的刷新机制就是行刷新；对于磁盘上的文件则是全缓冲！！

除此之外，还存在一些特殊的刷新机制：

• 强制刷新。比如调用flush函数，以及printf在执行时，碰到/n时强制刷新！
• 进程退出时，一般会刷新缓冲区！

三、测试样例解析

3.1 测试样例和运行结果

 下面我们调用3个常见的C库函数和一个系统调用，都向显示器文件中进行写入。当写入操作完毕后创建子进程，我们来看看分别向显示器文件和磁盘文件中进行写入会发生什么？

int main()    
{
       
    fprintf(stdout, "C: hello fprintf\n");    
    printf("C: hello printf\n");                                          
    fputs("C: hello fputs\n", stdout);    
    const char* buf = "system call: hello write\n";    
    write(1, buf, strlen(buf));    
    fork();    
    return 0;    
} 

---

 我们编译后，直接运行向显示器写入。然后通过输出重定向向log.txt磁盘文件进行写入：

【运行结果】：

3.2 结果分析

1、向显示器文件写入：

 当我们直接向显示器打印消息时，由于显示器的刷新机制是行刷新；并且我们所打印的字符串都带了‘\n(在printf中，'\n'是一种强制刷新的触发机制)。所以在fork()创建子进程前，数据已经全部被刷新！！

2、向磁盘文件进行写入：

 当我们重定向向磁盘文件写入数据时，缓冲区的刷新机制由行缓冲变成全缓冲。全缓冲也就意味着缓冲区变大，简单的几个字符串不足以将缓冲区写满，无法触发刷新机制。

 此时缓冲数据还在缓冲区。但当前缓冲区为C语言所提供的缓冲区，和操作系统无关。所以当前缓冲区中的数据依然属于进程。当fork()创建完子进程退出时，一般会刷新缓冲区。

 而刷新缓冲区本质上也是一种清空或者写入操作。所以父进程和子进程在退出前数据共享同一份；当退出时刷新缓冲区，对数据进行修改会发生写时拷贝，父、子进程各自私有一份。所以最后对于C函数调用会存在两份！！

 至于系统调用数据只打印一份的原因在于：系统调用在语言之下，数据不是向语言基本的缓冲区中写入；而是直接向操作系统内核缓冲区中写入。此时数据属于操作系统，不在属于进程！！

四、语言级别的缓冲区究竟在哪？

 下面我们以C为例。

 在此时样例中，我们已经知道对于库函数printf、fprintf自带缓冲区，而系统调用write则没有。（内核提提供的缓冲区此处不考虑）库函数时对系统调用的封装，这也意味着C所提供的缓冲区是二次加上的，由C本身所提供！！

 在C中，所有的IO函数都存在一个FILE指针，或者底层会封装FILE指针。而C的缓冲区的相关信息则保存在FILE结构体中，由FILE结构体来维护！！

【FILE结构体内容】：
 在/usr/include/stdio.h路径下，存在这样一段代码typedef struct _IO_FILE FILE。所以可以通过下面操作查找FILE：

【FILE结构体】：

在/usr/include/libio.h
struct _IO_FILE {
   
 int _flags; /* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags