C/C++_IO缓存问题

平常在练习的时候，总是忽略IO的缓存，这篇笔记记录下C和C++的缓存问题。

1 什么是缓存

缓存就是程序在内存中开辟的用来存放数据的空间，之所以叫缓存是因为这个变量时用来暂存数据用的。比如下面的语句，

int a ; 
int *p = malloc(sizeof(int) * 1);

a 和 p都是缓存，

2 应用缓存、库缓存、内核缓存，驱动缓存

应用缓存：应用代码在内存中开辟的缓存空间，比如应用层定义的变量。
库缓冲：库函数代码在内存中开辟的缓存空间。
内核缓存：内核代码在内存中开辟的缓存空间。
驱动缓存：驱动层的层序开辟的缓存，工作中驱动层接收到ROS层传下的数据进行存储并处理。

3 标准IO读写数据时，数据在缓存中流向

应用程序读写文件时候，数据并不会直接写到文件中，而是一层层向上或向下流动。
比如读数据时，内核函数通过设备驱动代码将数据从文件中读到内核缓存中；
标准IO函数，比如从外部设备读数据时用的cin scanf等IO函数，数据的执行流程是，将数据从内核缓存读到IO库缓存中。
最后，应用程序从IO库缓存中读取数据。
写数据的过程与读数据正好相反。

4 库缓存的三种缓冲方式：无缓冲，行缓冲，全缓冲

缓冲就是暂存的意思，就是把数据暂时存在库缓存中，库缓存一般为4096字节。

4.1 为什么需要暂存？

之所以要暂存是处于速度方面的考虑。比如，只输入一个字符，就立刻调用文件IO将数据写到磁盘，会降低效率，所以先将数据暂存起来，当达到“刷新”条件时候（刷新：就是将缓存中的数据取走），再一次性的将缓存的数据写到文件中。

4.2 无缓冲

无缓冲就是，主要库缓存中有数据就立刻刷新，哪怕只有一个字符也会立刻刷新。无缓冲非常适合用于输出错误信息，因为出错信息很紧急，不能被积压，所以有了错误信息后就应该被立即无条件刷新输出。stderr（标准出错输出）就是专门用来输出错误信息的，所以就是“无缓冲”的情况。无缓冲特点是数据立刻被刷新，但是效率会比较低。

无缓冲的刷新方式

只要“库缓存”中有数据就无条件立即刷新输出，比如下面的例子。

#include 

void main()
{
	fprintf(stderr, "hello wolrd"); 

	while(1);

	return 0;
}

hello wolrd被立即输出。

4.3 行缓冲

数据会积压，直到“满一行”时才会刷新，然后将数据输入/输出。\n就是一行的判断条件之一，只要数据中有\n，就代表数据满一行了。也就是说，对于标准IO库的库缓存来说，\n不仅仅只是换行，还是数据满一行的标志。
行缓冲非常适合用于正常的键盘输入和打印显示（正常的人机交互），人与计算机的交互就跟人与人的说话一样，一句一句的来是最方便的。人机交互时一行其实就是一句，**stdin、stdout（标准输入、标准输出）**就是专门用来进行正常人机交互用的，所以都是行缓冲的，满足一行的条件时就会立即刷输入、输出数据。C标准中，stderr为无缓冲，stdin和stdout为行缓冲。
但是不同的OS中不一定会严格的按照C标准，比如：
在Linux下：stderr为“无缓冲”、stdin、stdout为“行缓冲”，遵守了c标准的规定；
在Windows下：stderr、stdin、stdout都是无缓冲，只要库缓存有数据就会立即刷新。

行缓冲刷新方式

#include 

void main()
{
		fprintf(stdout, "hello wolrd");
		fprintf(stdout, "@@@@@@@@@@@");
		printf("22222222222");
		fprintf(stdout, "！！！！！！！！");
		
		while(1); //死循环
		return 0;
}

【linux下运行结果】

【windows下运行结果】

上面实验代码中，LInux下运行时，如果加了\n时，即fprintf(stdout, “！！！！！！！！\n”);数据就会全部被输出。

4.3 全缓冲

特点是必须等到“库缓存”的空间全部被数据积压满后，才会输出。就好比说以一盆水满了以后才会溢出一样。读写硬盘上普通文件时就是“全缓冲”，比如以写为例，写普通文件时由于不涉及人机交互时的“及时性”问题，所以并不需要立即写到文件中，完全可以先将大量数据积压到缓存中，等填满整个缓存之后再一次性刷新输出。读写fopen所打开的普通文件时，就是“全缓冲”的。

全缓冲的刷新方式

fp指向了普通文件，此时就是全缓存的，尽管"hello world\n"中有个一\n，但是全缓冲不受\n影响，由于数据太少，还不足以填满整个库缓存，所以无法被刷新，此时打开file.txt文件时，里面不会有数据。当调用fclose()函数时候，数据就会被刷新。

5 缓冲的其它刷新方式

当不满足刷新条件时，我们可以使用其它“刷新方式”来刷新？可以调用fflush函数进行刷新。

  #include 
   int fflush(FILE *stream);

下面例子

void main(void)
{
	fprintf(stdout, "hello wolrd");
	fprintf(stdout, "@@@@@@@@@@@");
	printf("22222222222");
	fprintf(stdout, "！！！！！！！！");
	fflush(stdout); //手动刷新
	
	while(1); //死循环

	return 0;
}

6 平时练习时，cin,scanf读取数据时存在的问题

从键盘输入数据时，不管输入什么数据，只有敲了回车（\n）后才会输入，从键盘输入数据时，输入的最后输入的字符一定是’\n’。
但是scanf等读取函数从“库缓存”里面读取数据时，往往会将\n留在“库缓存”里面，如果后续紧跟着scanf/fscanf/getc/getchar等函数来读取数时，读取到的将是“库缓存”中遗留的’\n’，或者其它无用字符。
比如，输入w \n ，可以看到第二个scanf读取到了回车。

**注意：**以%d、%f格式输入时，输入的必须是0~9的数字，如果是a、b、c、d的英文字母的话，会直接将这些字符遗留在库缓存中，影响后续的读取。
如何解决呢？
很简单，只要将“库缓存”中所有的字符全部取走，将“库缓存”全部清空后，就不会受到这些遗留字符的干扰，不管使用getchar、getc、scanf(“%c”, &ch)中那个函数，都能将遗留的字符全部取走，下面使用最简洁getchar来实现。
比如以%d接收数字时候，输入的a后，就不会被解析，而是留在缓冲中。

这种情况下就可以用scanf将缓冲中的数据全部读走，学习时候最常用的就是while(getchar() != ‘\n’); 方式。

上面都是学习过程中遇到的问题，实际工作中，最多的是通过条件编译输出，并没有遇到输入的时候。