带缓冲I/O和不带缓冲I/O的区别与联系

转自：http://blog.csdn.net/lmh12506/article/details/6803847

首先要明白不带缓冲的概念：所谓不带缓冲，并不是指内核不提供缓冲，而是只单纯的系统调用，不是函数库的调用。系统内核对磁盘的读写都会提供一个块缓冲，当用write函数对其写数据时，直接调用系统调用，将数据写入到块缓冲进行排队，当块缓冲达到一定的量时，才会把数据写入磁盘。因此所谓的不带缓冲的I/O是指进程不提供缓冲功能（但内核还是提供缓冲的）。每调用一次write或read函数，直接系统调用。
而带缓冲的I/O是指进程对输入输出流进行了改进，提供了一个流缓冲，当用fwrite函数网磁盘写数据时，先把数据写入流缓冲区中，当达到一定条件，比如流缓冲区满了，或刷新流缓冲，这时候才会把数据一次送往内核提供的块缓冲，再经块缓冲写入磁盘。（双重缓冲）
因此，带缓冲的I/O在往磁盘写入相同的数据量时，会比不带缓冲的I/O调用系统调用的次数要少。
下面的东西是我从网上查到的对这两者的理解，我觉得还是很到位的：

以下主要讨论关于open,write等基本系统IO的带缓冲与不带缓冲的差别

带缓存的文件操作是标准C库的实现，第一次调用带缓存的文件操作函数时标准库会自动分配内存并且读出一段固定大小的内容存储在缓存中。所以以后每次的读写操作并不是针对硬盘上的文件直接进行的，而是针对内存中的缓存的。何时从硬盘中读取文件或者向硬盘中写入文件有标准库的机制控制。不带缓存的文件操作通常都是系统提供的系统调用， 更加低级，直接从硬盘中读取和写入文件，由于IO瓶颈的原因，速度并不如意，而且原子操作需要程序员自己保证，但使用得当的话效率并不差。另外标准库中的带缓存文件IO 是调用系统提供的不带缓存IO实现的。

“术语不带缓冲指的是每个read和write都调用内核中的一个系统调用。所有的磁盘I/O都要经过内核的块缓冲（也称内核的缓冲区高速缓存），唯一例外的是对原始磁盘设备的I/O。既然read或write的数据都要被内核缓冲，那么术语“不带缓冲的I/O“指的是在用户的进程中对这两个函数不会自动缓冲，每次read或write就要进行一次系统调用。“--------摘自<unix环境编程>

程序中用open和write打开创建并把“hello world“写入文件test.txt，相应用fopen和fwrite操作文件test2.txt。程序执行到open和fopen之后，sleep 15秒，这时用ls查看生成了文件没，这时用open打开的test.txt出现了，用fopen打开的的test2.txt也出现了；当程序执行完write和 fwrite之后，在15秒睡眠期间，用cat查看test.txt，其内容是“hello，world”；但是此时用cat查看test2.txt，其内容为空。睡眠结束后，执行了close（fd），此时再用cat查看test2.txt，发现其内容也有了：“hello，world”。该例子证明了open和write是不带缓冲的，即程序一执行其io操作也立即执行，不会停留在系统提供的缓冲里，不需等到close操作完才执行。与之相比的fopen和fwrite则是带缓冲的，（一般）要等到fclose操作完后才会执行。

相关的源码示例如下:

#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <fcntl.h>
#include <string>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

using namespace std;

int main(){
int fd;
FILE *file;
char *s="hello,world\n";
if((fd=open("test.txt",O_WRONLY|O_CREAT,S_IRUSR|S_IWUSR))==-1){
cout<<"Error open file"<<endl;
return -1;
}
if((file=fopen("test2.txt","w"))==NULL){
cout<<"Error Open File."<<endl;
return -1;
}
cout<<"File has been Opened."<<endl;
sleep(15);
if(write(fd,s,strlen(s))<strlen(s)){
cout<<"Write Error"<<endl;

return -1;
}
if(fwrite(s,sizeof(char),strlen(s),file)<strlen(s)){
cout<<"Write Error in 2."<<endl;

return -1;
}
cout<<"After write"<<endl;

sleep(15);
cout<<"After sleep."<<endl;

close(fd);
return 0;
}

详情请见：http://blog.csai.cn/user1/27828/archives/2007/14285.html

以 ssize_t write(int filedes, const void *buff, size_t nbytes)和size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *fp)来讲讲自己对unix系统下带缓存的I/O和不带缓存的I/O的区别。

首先要清楚一个概念，所谓的带缓存并不是指上面两个函数的buff参数。

当将数据写到文件上时，内核先将该数据写到缓存，如果该缓存未满，则并不将其排入输出队列，直到缓存写满或者内核再次需要重新使用此缓存时才将其排入输入队列，待其到达队首，再进行实际的I/O操作，也就是此时才把数据真正写到磁盘，这种技术叫延迟写。

现在假设内核所设的缓存是100个字节，如果你使用write，且buff的size为10，当你要把9个同样的buff写到文件时，你需要调用9次write，也就是9次系统调用，此时也并没有写到硬盘，如果想立即写到硬盘，调用fsync，可以进行实际的I/O操作。

标准I/O，也就是带缓存的I/O采用 FILE*，FILE实际上包含了为管理流所需要的所有信息：实际I/O的文件描述符，指向流缓存的指针（标准I/O缓存，由malloc分配，又称为用户态进程空间的缓存，区别于内核所设的缓存），缓存长度，当前在缓存中的字节数，出错标志等，假设流缓存的长度为50字节，把以上的数据写到文件，则只需要2次系统调用（fwrite调用write系统调用），因为先把数据写到流缓存，当其满以后或者调用fflush时才填入内核缓存，所以进行了2次的系统调用write。

fflush将流所有未写的数据送入（刷新）到内核（内核缓冲区），fsync将所有内核缓冲区的数据写到文件（磁盘）。

不带缓存的read和write是相对于 fread/fwrite等流函数来说明的，因为fread和fwrite是用户函数（3），所以他们会在用户层进行一次数据的缓存，而read/write是系统调用（2）所以他们在用户层是没有缓存的，所以称read和write是无缓存的IO，其实对于内核来说还是进行了缓存，不过用户层看不到罢了。

详情请见：http://blog.sina.com.cn/s/blog_4a92ce12010004ub.html