关于C中I/O缓冲区的解释

用户程序调用C标准I/O库函数读写文件或设备，而这些库函数要通过系统调用把读写请求传给内核，最终由内核驱动磁盘或设备完成I/O操作。C标准库为每个打开的文件分配一个I/O缓冲区以加速读写操作，通过文件的FILE结构体可以找到这个缓冲区，用户调用读写函数大多数时候都在I/O缓冲区中读写，只有少数时候需要把读写请求传给内核。以fgetc/fputc为例，当用户程序第一次调用fgetc读一个字节时，fgetc函数可能通过系统调用进入内核读1K字节到I/O缓冲区中，然后返回I/O缓冲区中的第一个字节给用户，把读写位置指向I/O缓冲区中的第二个字符，以后用户再调fgetc，就直接从I/O缓冲区中读取，而不需要进内核了，当用户把这1K字节都读完之后，再次调用fgetc时，fgetc函 数会再次进入内核读1K字节到I/O缓冲区中。在这个场景中用户程序、C标准库和内核之间的关系就像CPU、Cache和内存之间的关系一样，C标准库之 所以会从内核预读一些数据放在I/O缓冲区中，是希望用户程序随后要用到这些数据，C标准库的I/O缓冲区也在用户空间，直接从用户空间读取数据比进内核 读数据要快得多。另一方面，用户程序调用fputc通常只是写到I/O缓冲区中，这样fputc函数可以很快地返回，如果I/O缓冲区写满了，fputc就通过系统调用把I/O缓冲区中的数据传给内核，内核最终把数据写回磁盘。有时候用户程序希望把I/O缓冲区中的数据立刻传给内核，让内核写回设备，这称为Flush 操作，对应的库函数是fflush，fclose函数在关闭文件之前也会做Flush操作。

下图以fgets/fputs示意了I/O缓冲区的作用，使用fgets/fputs函数时在用户程序中也需要分配缓冲区（图中的buf1和buf2），注意区分用户程序的缓冲区和C标准库的I/O缓冲区。

C标准库的I/O缓冲区：

C标准库的I/O缓冲区有三种类型：全缓冲、行缓冲和无缓冲。当用户程序调用库函数做写操作时，不同类型的缓冲区具有不同的特性。

全缓冲

如果缓冲区写满了就写回内核。常规文件通常是全缓冲的。

行缓冲

如果用户程序写的数据中有换行符就把这一行写回内核，或者如果缓冲区写满了就写回内核。标准输入和标准输出对应终端设备时通常是行缓冲的。

无缓冲

用户程序每次调库函数做写操作都要通过系统调用写回内核。标准错误输出通常是无缓冲的，这样用户程序产生的错误信息可以尽快输出到设备。

下面通过一个简单的例子证明标准输出对应终端设备时是行缓冲的。

#include <stdio.h>

int main()
{
  printf("hello world");
  while(1);
  return 0;
}

运行这个程序，会发现hello world并没有打印到屏幕上。用Ctrl-C终止它，去掉程序中的while(1);语句再试一次：

$ ./a.out
hello world$

hello world被打印到屏幕上，后面直接跟Shell提示符，中间没有换行。

我们知道main函数被启动代码这样调用：exit(main(argc, argv));。main函数return时启动代码会调用exit，exit函数首先关闭所有尚未关闭的FILE *指针（关闭之前要做Flush操作），然后通过_exit系统调用进入内核退出当前进程。

　　　　在上面的例子中，由于标准输出是行缓冲的，printf("hello world");打印的字符串中没有换行符，所以只把字符串写到标准输出的I/O缓冲区中而没有写回内核（写到终端设备），如果敲Ctrl-C，进程是异常终止的，并没有调用exit，也就没有机会Flush I/O缓冲区，因此字符串最终没有打印到屏幕上。如果把打印语句改成printf("hello world\n");，有换行符，就会立刻写到终端设备，或者如果把while(1);去掉也可以写到终端设备，因为程序退出时会调用exitFlush所有I/O缓冲区。在本书的其它例子中，printf打印的字符串末尾都有换行符，以保证字符串在printf调用结束时就写到终端设备。

我们再做个实验，在程序中直接调用_exit退出。

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

int main()
{
  printf("hello world");
  _exit(0);
}

结果也不会把字符串打印到屏幕上，如果把_exit调用改成exit就可以打印到屏幕上。

除了写满缓冲区、写入换行符之外，行缓冲还有一种情况会自动做Flush操作。如果：

• 用户程序调用库函数从无缓冲的文件中读取

• 或者从行缓冲的文件中读取，并且这次读操作会引发系统调用从内核读取数据

那么在读取之前会自动Flush所有行缓冲。例如：

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

int main()
{
  char buf[20];
  printf("Please input a line: ");
  fgets(buf, 20, stdin);
  return 0;
}

虽然调用printf并不会把字符串写到设备，但紧接着调用fgets读一个行缓冲的文件（标准输入），在读取之前会自动Flush所有行缓冲，包括标准输出。

如果用户程序不想完全依赖于自动的Flush操作，可以调fflush函数手动做Flush操作。

#include <stdio.h>

int fflush(FILE *stream);
返回值：成功返回0，出错返回EOF并设置errno

对前面的例子再稍加改动：

#include <stdio.h>

int main()
{
  printf("hello world");
  fflush(stdout);
  while(1);
}

虽然字符串中没有换行，但用户程序调用fflush强制写回内核，因此也能在屏幕上打印出字符串。fflush函数用于确保数据写回了内核，以免进程异常终止时丢失数据。作为一个特例，调用fflush(NULL)可以对所有打开文件的I/O缓冲区做Flush操作。

总结一下：C语言中的I/O缓冲区是这样的：

对于printf函数，行缓冲，每次输出有换行符或输出超过缓冲区大小的数据时，会在屏幕上输出数据。

有两个例外：1.当从无缓冲文件（或数据流）中读数据输出；

2.当printf后跟了scanf，由于scanf是行缓冲流，而且调用scanf会引发系统写数据到内

　　　　           核，所以printf会自动flush。

对于scanf函数，行缓冲，每次输入时会把数据连同末尾的换行符送进缓冲区，然后缓冲区会有一个“指针”，始终指向当前读到的那个字符（即“当前字符指针”）。当把字符从缓冲区中送入内存中的具体变量中时，清除缓冲区中的该字符。（敲回车输入的换行符在缓冲区中当做空格符'  '处理）。值得注意的是，每次scanf时，先检测缓冲区的“当前字符指针”之后是否有未读字符。

　这样，连续scanf  %c数据时，就有可能把数据尾的换行符直接赋给接下来本要输入的字符变量。

举例：（思考）

一个小程序，其中有以下几句：

char c1,c2;

scanf("%c",&c1);

printf("%c",c1);

scanf("%c",&c2);

printf("%c",c2);

这样，run以后，输入c1，敲回车以后就不能输入c2，程序直接结束了，为什么？

后来修改一下，

把“scanf("%c",&c2);

printf("%c",c2);”改成了：

scanf("%s",&c2);

printf("%c",c2);

却可以，为什么？%s和%c有什么不同？（%s读取第一个非空字符）

还有一种方法：
scanf（"%c",&ch);改为scanf（"
%c",&ch);%c前面加一个空格，这是为什么？

有还不清楚的请直接在留言中提问，谢谢。