Linux之缓冲区的理解

一、问题引入

我们先来看看下面的代码：我们使用了C语言接口和系统调用接口来进行文件操作。在代码的最后，我们还使用fork函数创建了一个子进程。

代码运行结果如下：

结果没有什么问题啊？结果很正确。但是我们再来看看下面的操作：我们对其进行输出重定向。然后，查看log.txt的代码。

我们惊奇地发现，文件里面的内容和打印到显示器的内容是不一样的！我们再仔细观察，发现，C语言的函数都打印了两次，而系统调用接口只打印了一次。为什么呢？

这种现象就和fork函数以及我们下面要讲的缓冲区有关了。

二、缓冲区

1、什么是缓冲区

缓冲区的本质就是一段内存空间。

我们知道，内存的速度比磁盘的速度快了几个数量级。所以数据如果直接从内存写到磁盘，那么访问外设效率比较低，那就太消耗时间了。所以缓冲区的意义就是通过减少与外设的IO次数，来节省进程进行数据IO的时间。

所以C语言中就提供了缓冲区。而有了缓冲区的存在，可以提高整机效率，并提高用户的响应速度。

2、刷新策略

~ 立即刷新。

~ 行刷新（行缓冲）。（常见的对显示器进行数据刷新）以\n为标志

~ 满刷新（全缓冲）。（常见的对磁盘文件写入数据）

特殊情况：1、用户强制刷新（fflush）          2、进程退出

注：所有的设备，永远都倾向于全缓冲，即缓冲区满了才刷新，因为这样只需要更少的IO操作，更少次的外设访问，效率更高。

当然，我们要根据实际情况去改变刷新策略。如：显示器是直接给用户看的，一方面要照顾效率，一方面要照顾用户体验。所以显示器一般使用行刷新。

3、缓冲区由谁提供

从上面的例子，我们发现直接往显示器上打印的结果为4条，往文件打印的结果为7条，这跟缓冲区有关，同时这也说明了缓冲区一定不在Linux内核中，为什么？因为write是系统接口，如果在内核中，write也应该打印两次。所以缓冲区是由C标准库提供的。

我们之前所说的所有缓冲区都指的是用户级语言层面提供的缓冲区。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。

从源码出发，我们可以来看一看FILE结构体：

4、重看问题

有了缓冲区的概念，我们就来解释解释问题引入中的现象。

首先，我们要先知道，代码运行完了，并不代表数据已经刷新了。上面代码中，使用C语言函数的操作在执行完了后，先将数据写入了缓冲区中，并没有直接向显示器上打印。

第一次运行，没有重定向操作，就是直接向显示器打印，而显示器的刷新策略是行刷新，且每个代码后面都有\n，所以在调用fork之前，代码不仅执行完了，而且数据都已经刷新了。所以fork对结果没有影响。

第二次运行，我们有了重定向操作，于是函数就由向显示器打印变成了向磁盘文件打印。所以刷新策略也由行刷新变成了满刷新。那么\n就已经没有意义了。所以代码在运行到fork时，之前的代码虽然已经运行完成了，但是数据还没有刷新到文件中。数据还在当前进程对应的C标准库中的缓冲区中，且该数据属于父进程。

于是最后，我们fork创建了子进程。接着，父进程或子进程退出，这时数据会强制刷新出来。我们假设父进程先退出：父进程退出后，其数据强制刷新，而刷新的过程也是一种写入，所以这时，为了父子进程的数据不会相互影响，就会发生写时拷贝！这样数据就会有两份，于是父子进程各自退出时都会刷新各自的数据。（当然，如果子进程先退出也是同样的）

所以，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、缓冲区的简单实现

有了缓冲区的一些基本概念。我们可以自己实现一个简单的带有缓冲区的struct file。

主函数：

int main
{
    MyFILE* fp = fopen_("log.txt", "r");
    if(fp==NULL)
    {
        printf("open file fail");
        return 0;
    }
    fputs_("hello world", fp);
    fclose_(fp);
    return 0;
}

struct file

struct MyFILE_
{
    int fd;
    char buff[NUM];
    int end;//当前缓冲区的结尾
};
typedef struct MyFILE_ MyFILE;

fopen函数的简单实现

MyFILE* fopen_(const char* pathname, const char* mode)
{
    assert(pathname);
    assert(mode);
    MyFILE* fp = NULL;
    if(strcmp(mode, "w")==0)
    {
        int fd = open(pathname, O_WRONLY|O_TRUNC|O_CREAT);
        if(fd>0)
        {
            MyFILE* fp=(MyFILE*)malloc(sizeof(MyFILE));
            memset(fp,'\0',sizeof(MyFILE));
            fp->fd = fd;
        }
    }
    else if(strcmp(mode, "w+")==0)
    {}
    else if(strcmp(mode,"r")==0)
    {}
    else if(strcmp(mode,"r+")==0)
    {}
    else if(strcmp(mode,"a")==0)
    {}
    else if(strcmp(mode,"a+")==0)
    {}
    else 
    {}
    return fp;
}

fputs函数的简单实现

void fputs_(const char* message, MyFILE* fp)
{
    assert(message);
    assert(fp);
    strcpy(fp->buff+fp->end, message);
    fp->end += strlen(message);
    if(fp->fd==0)
    {}
    else if(fp->fd==1)
    {
        if(fp->buff[fp->end-1]== '\n')
        {
            write(fp->fd, fp->buff,fp->end);
            fp->end = 0;
        }
    }
    else if(fp->fd==2)
    {}
    else 
    {}
}

fclose函数简单实现和fflush函数

void fclose_(MyFILE* fp)
{
    assert(fp);
    fflush_(fp);
    close(fp->fd);
    free(fp);
}
void fflush_(MyFILE* fp)
{
    assert(fp);
    if(fp->end != 0)
    {
        write(fp->fd, fp->buff, fp->end);
        syncfs(fp->fd);
        fp-> end = 0;
    }
}