Linux系统编程之IO_缓冲和非缓冲

　　下面是一段类似日志记录的代码，已获取通讯的报文内容和当时的环境参数内容，就是创建一个文件，使用标准IO的fopen、fprintf进行输出记录。但是在调试中，刚开始我就傻眼了，文件创建成功了，但是实时查看竟然没有任何数据记录。经过半天的担惊受怕和反复排查，发现是被标准IO的缓冲机制摆了一道，惭愧呀。。。

　　代码转自http://blog.csdn.net/mr_chenping/article/details/9166937

　　下面给出一个示例程序，模拟我的项目程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
        FILE* fp=NULL;
        const char *filename_1="test_fprintf.log";
        const char *filename_2="test_write.log";
        int fd;
        fp = fopen(filename_1, "wb");
        if(fp == NULL)
        {
                printf("open %s failed, %s\n", filename_1, strerror(errno));
                return -1;
        }
        //setbuf(fp, NULL);
        //设置NULL为标准IO自动分配
        //设置_IONBF为不对IO进行缓冲
        //setvbuf(fp, NULL, _IONBF, 0);
        fd = open(filename_2, O_WRONLY|O_CREAT|O_EXCL, 0666);
        if(fd < 0)
        {
                printf("open %s failed, %s\n", filename_2, strerror(errno));
                return -1;
        }
        while(1)
        {
                fprintf(fp, "test fprintf.\n");
                fprintf(fp, "-------test fprintf.\n");
                fprintf(fp, "=======test fprintf.\n");
                //可以进行刷新，强制将全缓冲区数据传递到内核高速缓冲区中
                //有内核完成写磁盘操作
                //fflush(fp);
                write(fd, "test open.\n", sizeof("test open.\n"));
                write(fd, "--------test open.\n", sizeof("--------test open.\n"));
                write(fd, "--------test open.\n", sizeof("--------test open.\n"));
                sleep(1);
        }
        return 0;
}                                                

　　后台运行上面的示例程序，然后实时查看两个日志文件，会发现testfrpintf.log文件一开始一直都是空的，而testwrite.log则是不断有数据写入，如下状态： 

　　我当时就是奇怪为什么文件会是空的。可以看出标准IO会缓冲4096Bytes的数据，当达到这么多数据时才会进行实际的磁盘写入，而系统调用write则是直接写入，不进行缓冲。

　　标准IO库提供缓冲的目的是尽可能减少使用read和write调用的次数，降低执行IO的时间，它提供三种类型的缓冲：

1. 全缓冲。在填满标准IO缓冲区4096Bytes后（缓冲区已满）才进行实际IO操作（通过write系统调用，将数据传递到内核高速缓冲区，最终内核将数据写入磁盘），对于磁盘文件通常就是全缓冲，上面的示例就是采用缓冲。
2. 行缓冲。在输入和输出中遇到换行符时（缓冲区已满）进行实际的IO操作（通过write系统调用，将数据传递到内核高速缓冲区，最终内核将数据写入磁盘），当涉及到一个终端时，通常使用行缓冲。使用最频繁的printf函数就是采用行缓冲，所以感觉不出缓冲的存在。
3. 不带缓冲。标准IO库不对字符进行缓冲存储。标准出错流stderr通常是不带缓冲的。

　　ISO C要求下列缓冲特征：

• 当且仅当标准输入和标准输出并不涉及交互式设备时，它们才是全缓冲的。
• 标准出错决不会是全缓冲。

　　很多系统默认使用下列类型的缓冲：

• 标准出错是不带缓冲的。
• 如若是涉及终端设备的其它流，则他们是行缓冲的；否则是全缓冲的。

　　当然，对于标准IO流，我们也可以更改缓冲类型，或者是直接刷新。ISO C中提供下面两个函数以更改缓冲类型：

void setbuf(FILE *fp, char *buf); //buf为NULL,表示关闭缓冲
int setvbuf(FILE *fp, char *buf, int mode, size_t size); //成功返回0，出错返回非0值

　　setvbuf函数中的mode参数可以为：_IOBUF 全缓冲, _IOLBF 行缓冲, _IONBF 不带缓冲，如果buf为NULL, 则标准IO库将自动地为该流分配适当长度（常量BUFSIZ）的缓冲区。一般而言，应由系统选择缓冲区的长度，并自动分配缓冲区，这样关闭流时，标准IO库将自动释放缓冲区。

　　强制冲洗一个流，使用函数：

int fflush(FILE *fp); //成功返回0， 出错返回EOF

　　项目中我是使用这个函数解决郁闷的。

　fflush(NULL); //冲洗所有输出流

　　补充一下知识点：

　　read()和write()系统调用在操作磁盘文件时不会直接发起磁盘请求，而是仅仅在用户空间缓冲区与内核缓冲区高速缓存之间复制数据。例如下面调用将3个字节的数据从用户空间内存传递到内核空间的缓冲区中。

　　write(fd,"abc",3);

　　write()随机返回。在后续某个时刻，内核会将其缓冲区中的数据写入（刷新至）磁盘。（因此，可以说系统调用与磁盘操作并不同步）

　　与此同理，对输入而言，内核从磁盘中读取数据并存储到内核缓冲区中。read()调用将从该缓冲区中读取数据，直至把缓冲区中的数据读完，这时，内核会将文件的下一段内容读入缓冲区高速缓存。

　　这样设计，使得read()和write()很快，不需要等待（缓慢的）磁盘操作。同时，这一设计也极为高效，因为这减少了内核必须执行的磁盘传输次数。（预读和满写）

　　两句话：

　　1.read()和write()负责在用户空间缓冲区和内核高速缓冲区高速缓存复制数据。

　　2.内核负责从磁盘读数据到内核高速缓冲区（预读），以及当内核高速缓冲区满了，写到磁盘中去（满写）。

　　总结一下：

　　自上而下，首先是通过stdio库将用户数据传递到stdio缓冲区（一般是4096Bytes，或者也可以有标准IO自动分配），该缓冲区位于用户态内存区。当缓冲区满时（行缓冲遇到‘\n',全缓冲满4096Bytes），stdio库会调用write()系统调用，将数据传递到内核高速缓冲区（位于内核态内存区）。最终，内核发起磁盘操作，将数据传递到磁盘。

　　使用fflush()强制刷新stdio缓冲区（通过write()调用），将数据传递到内核高速缓冲区中。

　　fsync() syn()系统调用将使缓冲数据和与打开文件描述符fd相关的所有元数据都刷新到磁盘上。

　　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。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。
　　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。

　　最后，以一幅图总结一下。