Linux文件缓冲区详解

作者：倪键树,华清远见嵌入式学院讲师。

A）缓冲区机制

根据应用程序对文件的访问方式，即是否存在缓冲区，对文件的访问可以分为带缓冲区的操作和非缓冲区的文件操作：

a） 带缓冲区文件操作：高级标准文件I/O操作，将会在用户空间中自动为正在使用的文件开辟内存缓冲区。

b） 非缓冲区文件操作：低级文件I/O操作，读写文件时，不会开辟对文件操作的缓冲区，直接通过系统调用对磁盘进行操作(读、写等)，当然用于可以在自己的程序中为每个文件设定缓冲区。

两种文件操作的解释和比较：

1、非缓冲的文件操作访问方式，每次对文件进行一次读写操作时，都需要使用读写系统调用来处理此操作，即需要执行一次系统调用，执行一次系统调用将涉及到CPU状态的切换，即从用户空间切换到内核空间，实现进程上下文的切换，这将损耗一定的CPU时间，频繁的磁盘访问对程序的执行效率造成很大的影响。

2、ANSI标准C库函数 是建立在底层的系统调用之上，即C函数库文件访问函数的实现中使用了低级文件I/O系统调用，ANSI标准C库中的文件处理函数为了减少使用系统调用的次数，提高效率，采用缓冲机制，这样，可以在磁盘文件进行操作时，可以一次从文件中读出大量的数据到缓冲区中，以后对这部分的访问就不需要再使用系统调用了，即需要少量的CPU状态切换，提高了效率。

B）缓冲类型

标准I/O提供了3种类型的缓冲区。

1、全缓冲区：这种缓冲方式要求填满整个缓冲区后才进行I/O系统调用操作。对于磁盘文件的操作通常使用全缓冲的方式访问。第一次执行I/O操作时，ANSI标准的文件管理函数通过调用malloc函数获得需要使用的缓冲区，默认大小为8192。

//come from /usr/include/stdio.h
        /* Default buffer size. */
        #ifndef BUFSIZ
        # define BUFSIZ _IO_BUFSIZ        //BUFSIZ 全局宏定义
        #endif
        //come from /usr/include/libio.h
        #define _IO_BUFSIZ _G_BUFSIZ
        //come from /usr/include/_g_config.h
        #define _G_BUFSIZ 8192        //真实大小

2、行缓冲区：在这种情况下，当在输入和输出中遇到换行符时，标准I/O库函数将会执行系统调用操作。当所操作的流涉及一个终端时（例如标准输入和标准输出），使用行缓冲方式。因为标准I/O库每行的缓冲区长度是固定的，所以只要填满了缓冲区，即使还没有遇到换行符，也会执行I/O系统调用操作，默认行缓冲区的大小为1024。

下面的两个程序的对比可以得出行缓冲的大小：

3、无缓冲区：

无缓冲区是指标准I/O库不对字符进行缓存，直接调用系统调用。标准出错流stderr通常是不带缓冲区的，这使得出错信息能够尽快地显示出来。

注：①标准输入和标准输出设备：当且仅当不涉及交互作用设备时，标准输入流和标准输出流才是全缓冲的。②标准错误输出设备：标准出错绝不会是全缓冲方式的。

对于任何一个给定的流，可以调用setbuf()和setvbuf()函数更改其缓冲区类型。

1、 setbuf

此函数第一个参数为要操作的流对象，第二个参数buf 必须指向一个长度BUFSIZ 的缓冲区。如果将buf 设置为NULL，则关闭缓冲区。如果执行成功，将返回0，否则返回非0 值。

2、setvbuf

此函数第一个参数为要操作的流对象；第二个参数buf 必须指向一个长为BUFSIZ 的缓冲区；第三个参数为缓冲区类型，分别定义如下：

//come from /usr/include/stdio.h
        /* The possibilities for the third argument to 'setvbuf'. */
        #define _IOFBF 0 /* Fully buffered.*/        //全缓冲
        #define _IOLBF 1 /* Line buffered. */        //行缓冲
        #define _IONBF 2 /* No buffering. */        //无缓冲

第四个参数为该buf的大小。如果指定一个不带缓冲区的流，则忽略buf和size参数。

如果指定全缓冲区或行缓冲区，则buf 和size 可选择地指定一个缓冲区及其长度。如果出现指定该流是带缓冲区的，而buf 是NULL，则标准I/O 库将自动为该流分配适当长度的缓冲，适当长度指的即是由文件属性数据结构（struct stat）的成员st_blksize 所指定的值，如果系统不能为该流决定此值（例如若此流涉及一个设备或一个管道），则分配长度BUFSIZ 的缓冲区。

此函数如果执行成功，将返回0，否则返回非0 值。

以下是一个修改 buf 大小写文件的实例程序。其源代码如下：

#include < stdio.h>
        #include < stdlib.h>
        int main()
        {
                int i;
                FILE *fp;
                char msg1[] = "hello,world\n";
                char msg2[] = "hello/nworld\n";
                char buf[128];
                /*打开（或者创建）一个文件，然后使用setbuf设置为nobuf情况，并检查关闭前流的情况*/
                if((fp = fopen("no_buf1.txt","w")) == NULL)
                        {
                                perror("file open fail");
                                exit(-1);
                        }
                setbuf(fp,NULL);
                fwrite(msg1,7,1,fp);
                printf("test setbuf(no buf)!check no_buf1.txt\n");//查看 buf 情况
                printf("press enter to continue!\n");
                getchar();
                fclose(fp);//关闭流，因此将回写 buf（如果有 buf 的话）
                /*打开（或者创建）一个文件，然后使用 setvbuf 设置为 nobuf 情况，并检查关闭前流的情况*/
                if((fp = fopen("no_buf2.txt","w")) == NULL)
                        {
                                perror("file open failure!");
                                exit(-1);
                        }
                setvbuf(fp,NULL,_IONBF,0);         //设置为无 buf
                fwrite(msg1,7,1,fp);
                printf("test setbuf(no buf)!check no_buf1.txt\n");        //查看 buf 情况
                printf("press enter to continue!\n");
                getchar();
                fclose(fp);//关闭流，因此将回写 buf ( 如果有 buf 的话)
                if((fp = fopen("1_buf.txt","w")) == NULL)
                        {
                                perror("fail open file");
                                exit(-1);
                        }
                setvbuf(fp,buf,_IOLBF,sizeof(buf));        //设置为行 buf
                fwrite(msg2,sizeof(msg2),1,fp);        //写内容
                printf("test setvbuf(line buf)!check 1_buf.txt,because line buf,only data before enter send to file\n");        //查看 buf 情况
                printf("press enter to continue!\n");
                getchar();
                fclose(fp);        //关闭流，因此将回写 buf
                //打开（或者创建）一个文件，然后使用 setvbuf 设置为全 buf情况，并检查关闭前流的情况
                if((fp = fopen("f_buf.txt","w")) == NULL)
                        {
                                perror("file open failure!");
                                exit(-1);
                        }
                setvbuf(fp,buf,_IOFBF,sizeof(buf));
                for(i = 0;i < 2;i++)
                        {
                                fputs(msg1,fp);
                        }
                printf("test setbuf(full buf)! check f_buf.txt\n");
                printf("press enter to continue!\n");
                getchar();
                fclose(fp);//关闭流，因此将回写 buf
                return 0;
        }

其编译过程及运行结果如下：

编译：

运行：

以下内容是在过程中查看各文件内容信息：

[njs@njs]#cat no_buf1.txt
        hello,w //写入的7 个字符全部写入到文件中
        [njs@njs]#cat no_buf2.txt
        hello,w //写入的7 个字符全部写入到文件中
        [njs@njs]#cat l_buf.txt
        hello //只有回车前的字符写入
        [njs@njs]#cat f_buf.txt //没有任何内容写入

运行过程完成后：

[njs@njs]#cat no_buf1.txt
        hello,w //与原来内容一样
        [njs@njs]#cat no_buf2.txt
        hello,w //与原来内容一样
        [njs@njs]#cat l_buf.txt
        hello
        world //因为调用了fclose()函数，刷新了缓冲区，将world 写入
        [njs@njs]#cat f_buf.txt
        hello

        world //因为调用了fclose()函数，刷新了缓冲区，将hello/nworld 都写入

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