APUE之全缓冲、行缓冲、无缓冲

缺乏、安全感 2022-06-17 11:17 190阅读 0赞

基于流的操作最终会调用read或者write函数进行I/O操作。为了使程序的运行效率最高，流对象通常会提供缓冲区，以减少调用系统I/O库函数的次数。  
一共有三种缓冲类型：

> **全缓冲：**直到缓冲区被填满，才调用系统I/O函数。对于读操作来说，直到读入的内容的字节数等于缓冲区大小或者文件已经到达结尾，才进行实际的I/O操作， 将外存文件内容读入缓冲区；对于写操作来说，直到缓冲区被填满，才进行实际的I/O操作，缓冲区内容写到外存文件中。磁盘文件通常是全缓冲的。
> 
> **行缓冲：**直到遇到换行符’\\n’，才调用系统I/O库函数。  
> 对于读操作来说，遇到换行符’\\n’才进行I/O操作，将所读内容读入缓冲区；  
> 对于写操作来说， 遇到换行符’\\n’才进行I/O操作，将缓冲区内容写到外存中。  
> 由于缓冲区的大小是有限的，所以当缓冲区被填满时，即使没有遇到换行符’\\n’，也同样会 进行实际的I/O操作。  
> 当流涉及到一个终端时，通常使用行缓冲。
> 
> **无缓冲：**没有缓冲区，数据会立即读入或者输出到外存文件和设备上。标准出错stderr是无缓冲的，这样保证错误提示和输出能够及时反馈给用户，供用户排除错误。

通过一段代码分别判断 标准输入 标准输出 标准错误的缓冲情况：

//buffer.c
    #include <stdio.h>
    int main(void)
    { 
    
        printf("stdin is ");
        if(stdin->_flags & _IO_UNBUFFERED) 
        printf("unbuffered\n");
        else if(stdin->_flags & _IO_LINE_BUF)
        printf("line-buffered\n");
        else
        printf("fully-buffered\n");
        printf("buffer size is %d\n", stdin->_IO_buf_end - 
            stdin->_IO_buf_base); 
        printf("discriptor is %d\n\n", fileno(stdin)); 
    
        printf("stdout is ");
        if(stdout->_flags & _IO_UNBUFFERED) 
        printf("unbuffered\n");
        else if(stdout->_flags & _IO_LINE_BUF)
        printf("line-buffered\n");
        else
        printf("fully-buffered\n");
        printf("buffer size is %d\n", stdout->_IO_buf_end - 
            stdout->_IO_buf_base); 
        printf("discriptor is %d\n\n", fileno(stdout)); 
    
        printf("stderr is ");
        if(stderr->_flags & _IO_UNBUFFERED) 
        printf("unbuffered\n");
        else if(stderr->_flags & _IO_LINE_BUF)
        printf("line-buffered\n");
        else
        printf("fully-buffered\n");
        printf("buffer size is %d\n", stderr->_IO_buf_end - 
            stderr->_IO_buf_base); 
        printf("discriptor is %d\n\n", fileno(stderr));
        return 0;
    }

结果是全缓冲、行缓冲和无缓冲。

为什么stdin是全缓冲呢？

在APUE里面提到

一般情况下认为：

> 标准错误是不带缓冲的  
> 若指向终端设备的流则是行缓冲，否则是全缓冲的

因此，当我们在代码中加入

int a;
    scanf("%d",&a);

输出就变成了：行缓冲、行缓冲、无缓冲。

另外在APUE里面还提到：

> 当且仅当标准输入和标准输出并不指向交互式设备的时候，他们是全缓冲  
> 标准错误绝对不是全缓冲

因此，可以尝试对流进行一下重定向，看看输出是什么：

./buffer <in.txt 1>out.txt 2>error.txt

标准输出被重定向到out.txt文件中，打开该文件，结果为：  
全缓冲、全缓冲、无缓冲

还可以用一个例子来说明：

//buffer2.c
    #include <stdio.h>  
    #include <string.h>  
    #include <unistd.h>  
    
    char buf[] = "zhangxiao\n";  
    
    int main()  
    {  
        pid_t pid;  
    
    
        if(write(STDOUT_FILENO, buf, strlen(buf)) != strlen(buf))  
        {  
        fprintf(stderr, "write error");  
        return 0;  
        }  
        printf("before fork()...\n");  
    
        if((pid = fork()) == -1)  
        {  
        fprintf(stderr, "fork error");  
        return 0;  
        }  
        if(pid == 0)  //child
        {  
        ;
        }  
        else  // parent
        {  
        sleep(2);  
        }  
        return 0;  
    }

直接运行`./buffer2`  
输出结果为：

zhangxiao
    before fork()

如果运行：`./buffer2 > test.txt`  
打开重定向的文件，里面内容为：

zhangxiao
    before fork()
    before fork()

`before fork`被输出了两次。

首先，刚刚提到，面向终端的IO默认是行缓冲的，因此`printf("....\n")`之后，在遇到`\n`缓冲区刷新（即遇到\\n时fflush缓冲）。  
而重定向到文件的缓冲方式是全缓冲，printf操作后，并没有刷新缓冲。

当fork子进程的时候，子进程会复制父进程的数据空间，当然包括父进程打开的文件描述符所对应的缓冲区

第一种情况，输出后缓冲区已经被刷新即清除，所以子进程不会复制这部分缓冲区；第二种情况全缓冲，不会被刷新，所以子进程会复制这部分缓冲区，  
在程序结束时才会对输出缓冲区进行刷新。所以最后会输出两次“before fork()…”，因为父进程和子进程都有自己的这部分缓冲区。

那么为什么在print之前的write不会出现两次呢？因为`write`是不带缓冲的IO

如果不满足系统这种默认设定，可调用下面两个函数更改缓冲类型：

void serbuf(FILE*restrict fp,char *restrict buf);
    int servbuf(FILE*restrict fp,char *restrict buf,int mode,size_t size);

例如，

setvbuf(stdout,NULL,_IONBF,0);//设置标准输出不带缓冲
    //类似的mode还有：
    //_IOFBF 全缓冲
    //_IOLBF 行缓冲
    //_IONBF 无缓冲

## 参考 ##

1.apue  
2.[http://blog.csdn.net/anonymalias/article/details/8011115][http_blog.csdn.net_anonymalias_article_details_8011115]  
3.[http://www.cnblogs.com/youxin/p/4304998.html][http_www.cnblogs.com_youxin_p_4304998.html]

[http_blog.csdn.net_anonymalias_article_details_8011115]: http://blog.csdn.net/anonymalias/article/details/8011115
[http_www.cnblogs.com_youxin_p_4304998.html]: http://www.cnblogs.com/youxin/p/4304998.html