stdio.h的缓冲机制解析
1. 令人迷惑的printf()
在C语言中,由于stdio.h
中的缓冲机制,printf
的输出通常会受到缓冲区的影响。
这种影响可能非常微妙,并常常令人疑惑,比如我们来看下面这段代码
#include <stdio.h>
int main(void) {
printf("Hello World");
while(1);
}
在命令行中编译运行,发现他只是一味循环,输出不见了?!!
但是如果我们修改一下代码,添加一个换行符:
printf("Hello World\n");
就可以看到Hello World被输出了?!
2. stdio的缓冲机制解析
根据标准I/O的缓冲方式,printf
的输出主要有以下几种情况:
2.1. 行缓冲(Line Buffering)
- 默认情况下,面向终端(标准输出/
stdout
是终端)的文件流使用行缓冲。 - 缓冲区在以下情况下刷新:
- 输出了一个换行符
\n
。 - 缓冲区被填满。
- 主动调用刷新函数(如
fflush(stdout)
)。 - 程序正常结束,流被关闭(如
exit()
或return
导致流关闭)。
- 输出了一个换行符
示例:
printf("Hello, "); // 不会立即输出,因为没有换行
printf("World\n"); // 输出 "Hello, World",因为遇到换行符
2.2. 全缓冲(Full Buffering)
- 默认情况下,面向文件的文件流(如写入文件的
FILE*
)使用全缓冲。 - 缓冲区在以下情况下刷新:
- 缓冲区被填满。
- 主动调用刷新函数(如
fflush(file_stream)
)。 - 程序正常结束,流被关闭(如
fclose()
或exit()
)。
示例:
FILE *fp = fopen("output.txt", "w");
fprintf(fp, "Buffered output"); // 不会立即写入文件
fflush(fp); // 主动刷新缓冲区,写入文件
fclose(fp); // 关闭文件时自动刷新缓冲区
2.3. 无缓冲(Unbuffered)
- 默认情况下,标准错误流
stderr
是无缓冲的(因为需要及时显示错误信息)。 - 缓冲区在每次调用I/O操作时都会刷新,数据直接输出到目标设备。
- 如果通过
setvbuf
或setbuf
将流设置为无缓冲,则每次调用printf
都会立即输出。
示例:
fprintf(stderr, "This is an error message\n"); // 立即输出,不受缓冲机制影响
设置无缓冲流:
setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0); // 将 stdout 设置为无缓冲
printf("Immediate output"); // 每次调用都会直接输出
2.4. 缓冲区溢出或关闭时刷新
- 如果缓冲区被填满,
stdio
会自动刷新。 - 当程序结束或流关闭时(如
fclose()
),缓冲区中的内容会被自动刷新。
stdio缓冲机制总结
缓冲模式 | 使用场景 | 刷新条件 |
---|---|---|
行缓冲 | stdout 面向终端 |
换行符、缓冲区满、调用fflush 、流关闭或程序退出 |
全缓冲 | stdout 面向文件或其他设备 |
缓冲区满、调用fflush 、流关闭或程序退出 |
无缓冲 | stderr 或主动设置无缓冲流 |
每次调用printf 或fprintf 直接输出 |
缓冲模式可以通过 setvbuf
或 setbuf
自定义,这在调试或控制输出行为时非常有用。
3. 并发场景下的stdio缓冲
在并发场景下,stdio的缓冲机制可能会更令人迷惑一点,不过机制是相通的。
$ cat fork_printf.c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main(void) {
for (int i = 0; i < 2; i++) {
fork();
printf("Hello\n");
}
return 0;
}
$ gcc fork_printf.c
$ ./a.out
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello
$ ./a.out | cat
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello
Hello
$ # ??? 为什么两次输出内容不一样?是魔法么??!
这就是因为./a.out面向的输出的使用的缓冲方式不同:
- 面向标准输出stdout时,使用行缓冲机制,Hello\n不存放在stdio的缓冲区(内存中),而是直接输出了
- 面向管道输出时, 则使用全缓冲机制,因此第一个Hello\n会存放在缓冲区中,并随着fork一并复制,并再最后程序退出时输出。
也许你觉得我在胡说八道,但是根据计算机中没有魔法
的观点,我们一定是有办法验证我们的猜想的。
没错,我们可以使用strace来看到程序的write系统调用,从而验证上述观点。
下一篇将以此为例介绍linux神器之strace
的应用场景与使用方式。
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