Linux：基础IO---缓冲区

• 序：在上一节中，我们本从C语言入手，从C语言的文件接口出发，逐渐过渡到系统对于文件的调用，我们用先描述，再组织6个字，创建文件结构体对文件进行管理，说出我对重定向和缓冲区的理解！！！现在，让我们更加深入的去了解缓冲区，搞清楚其中的本质原理，让我们对文件的操作有进一步的认识！！！

1. 缓冲区

1.1 对实例进行分析

实例一：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

int main()
{
    const char* msg="hello fwrite!\n";
	const char* str="hello write!\n";

	//C语言提供的接口
    printf("hello printf!\n");
    fprintf(stdout,"hello fprintf!\n");
	fwrite(msg,strlen(msg),1,stdout);

	//操作系统提供的接口
	write(1,str,strlen(str));

    return 0;
}

实例一结果如下：

我们发现所有内容都被打印出来了，没有什么其他现象。

实例二：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

int main()
{
    const char* msg="hello fwrite!\n";
	const char* str="hello write!\n";

    //C语言提供的接口
    printf("hello printf!\n");
    fprintf(stdout,"hello fprintf!\n");
	fwrite(msg,strlen(msg),1,stdout);

	//操作系统提供的接口
	write(1,str,strlen(str));
	fork( );
	
    return 0;
}

实例二结果如下：

和实例一打印的内容相比也没有什么不同的地方。

上面两段代码，唯一不一样的就是实例二中的结尾多了一个fork函数，在正常情况下，实例一和实例二打印的结果没有区别！！！。

如果我将这两段代码的结果放入一个文件当中，结果还是这样吗？

将实例一的内容放入文件log.txt中：

将实例二的内容放入文件log.txt中：

通过将实例一和实例二的内容放入文件，我们发现了不对劲的地方，为什么实例二放入文件后，通过C语言接口打印的内容，竟然打印了两遍！！！对于这个现象，我先不解释，但我们已经感觉到了，C语言的接口和系统接口有不同之处！！！

让我们接着看下面三个实例，让我们彻底看清有什么不同！！！

实例三：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

int main()
{
	const char* msg="hello fwrite!";

    //C语言提供的接口
    printf("hello printf!");
    fprintf(stdout,"hello fprintf!");
    fwrite(msg,strlen(msg),1,stdout);

    return 0;
}

实例三结果如下：

和实例一相比，去掉了’\n’，正常打印，无明显现象

实例四：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

int main()
{
	const char* msg="hello fwrite!";

    //C语言提供的接口
    printf("hello printf!");
    fprintf(stdout,"hello fprintf!");
    fwrite(msg,strlen(msg),1,stdout);

    close(1);

    return 0;
}

实例四结果如下：

和实例四相比，结尾多了个系统调用的close函数，没有东西打印出来。

实例五：

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

int main()
{
	const char* str="hello write!";

	//操作系统提供的接口  
	write(1,str,strlen(str));

    close(1);

    return 0;
}

实例五结果如下：

和实例四相比，成功打印出来了

1.2 对实例分析结果进行总结

通过上面五个实例，我们知道了一件事，C语言调用的接口和系统调用的接口区别很大，C语言调用的接口如果没有及时刷新缓冲区就会被close刷掉，或者被拷贝到子进程中，而系统调用的接口则不同，没有被close刷掉，而且是立即打印，没有被子进程拷贝！！！

调用C语言接口进行的打印，要先放到缓冲区中，这个缓冲区一定不在操作系统内部！！！不是操作系统级别的缓冲区！！！

C语言他会给我们提供一个缓冲区，C接口的调用都会放在该用户级的缓冲区中。

显示器的文件的刷新方案是行刷新，所以在printf执行完要是遇到\n的时候就会进行刷新。（刷新的本质就是将数据通过1和write( )系统接口写入到内核中）

当我们调用close时，该系统调用不会管你用户层有什么，不论你C语言自己提供的缓冲区有没有东西，他都不关心，也不会帮你去刷新缓存区，而是直接close 1号文件描述符所对应的文件缓冲区，让C语言缓冲区的内容无法通过write( )刷新到内核级的文件缓冲区中。

所以，目前，我们认为，只要将数据刷新到了内核，数据就可以到硬件中了。

缓冲区刷新问题（非操作系统内核层，是语言层或用户层）

• 无缓冲 — 直接刷新（不需要等待，直接刷新出来）
• 行缓冲 — 不刷新，直到碰到 ’\n’才刷新 例如：像写入显示器时
• 全缓冲 — 缓冲区满了，才会刷新 例如：向普通文件写入时

进程退出时，会自动刷新缓冲区。

问题一：为什么要有个缓冲区？

• 解决效率问题 — 用户效率问题（例如，我们要将一个快递从湖南运往北京，我们不是直接将快递晕倒北京的，而是通过一个个的快递站，中转站，一步步的送到北京的，这样效率才会高。）
• 配合格式化 — 例如输入123，我们怎么知道他是字符123还是数字123，就要通过%s或%d的格式化来表达，而缓冲区就可以做到类型转化。

问题二：这个缓冲区在哪里呢？

首先，我们知道既然是文件操作，那就一定绕不开FILE struct ，FILE里面封装了fd（文件操作符），同样，FILE里面还有对应打开文件的缓冲区字段和维护的信息！！！

如图所示：

问题三：这个FILE对象是属于用户呢？还是属于操作系统呢？这个缓冲区是不是属于用户级的缓冲区呢？

语言方面的都属于用户层，缓冲区也是用户级的。

问题四:关于将实例二中的内容打印到文件中，发生的C语言接口打印了两次怎么解释？

向文件打印时，缓冲区刷新方案变成了全缓冲刷新，所以，只有等缓冲区满了，或进程结束才会刷新，所以，当我们执行fork时，那些还在缓冲区的数据，就会发生写实拷贝，将这些缓冲区里的数据拷贝到子进程C语言提供的缓冲区当中，当进程结束，就会刷新缓冲区，然后通过调用系统接口write和1号文件描述符所对应的文件缓冲区打印到显示器上。

总结：

本文章，从分析问题、解决问题和回答问题的角度，从几个现象入手，逐步剖析内涵的缓冲区原理，我们也了解到了什么是内核文件缓冲区，什么是C语言自己提供的文件缓冲区！！！