[Linux打怪升级之路]-缓冲区

前言

作者：小蜗牛向前冲

名言：我可以接受失败，但我不能接受放弃

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 本期学习目标：认识什么是缓冲区，缓冲区在哪里，模拟实现一个简单的缓冲区。

目录

一、缓冲区

1、见一个现象

2、缓冲区的相关知识

3、解释现象 

二、模拟实现缓冲区 

1、makefile 

2、myStdio.h 

 3、myStdio.c

4、test.c 

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一、缓冲区

我们在重定向博客中曾经发现了一个现象，在做重定向实验时，我们将文件描述符fd = 1关闭掉，并通过open函数打开（创建）add.txt的文件，由于fd = 1 被关闭了，根据文件描述符fd的分配规则：是从小到大 ，遵循寻找最小而且没有被占用的的fd分配。这时候fd = 1中file*的指针会指向add.txt文件中，就不在向显示器打印了，而要将open fd的内容写到add.txt中，但是我们通过cat命令查看add.txt中的内容却什么也没有，这是为什么呢？

这就不得不提缓冲区的概念，其实缓存区就是一段内存，但是这段内存是谁申请的？属于谁的？为什么要有缓冲区呢？

下面我们来看一个现象:

1、见一个现象

首先我们分别调用C接口和系统接口进行打印测试。

我们将mytest中的文件内容输出重定向到log.txt中，我们也在log.txt中查找到了输出的内容.

下面我们继续进行在代码测试，在代码最后用fork建立一个子进程

运行程序：

 我们发现 printf 和 fprintf及fputs（库函数）都输出了2次，而 write 只输出了一次（系统调用）。为什么呢？我们只是在多加了应该子进程而已，这说明出现这种现象肯定是和fork函数有关。

2、缓冲区的相关知识

为什么库函数会打印二次，而系统调用的函数只会被打印一次呢？毋庸置疑这肯定和缓冲区有关。

上面我们提到缓存冲区是一段内存，那么既然是一段内存肯定要被管理起来，而管理缓冲区的结构体我们称之为FILE,而且我们可以知道是缓冲区肯定不在内核中。

我们也可以在系统中见一见他

//输入命令
vim /usr/include/libio.h

 打开文件在246行这样就能看到_IO_FILE的结构体，不对啊吖，不是说FILE才是管理缓冲区的吗？

怎么变成了_IO_FILE的结构体,其实在其实是在：

typedef struct _IO_FILE FILE; 在/usr/include/stdio.h

中进行了重命名的，第48行就对_IO_FILE的结构体进行了typedef。

这里我们需要注意的是FILE结构体中也封装了fd，这就会在合适的时候，就会将在缓冲区中内容刷新到外设中。

缓冲区的刷新几种形式： 

立刻刷新       -----无缓冲

行刷新           ------显示器

缓冲区满刷新     -------磁盘文件

 那我们怎么理解上面的几种刷新方式呢?

立刻刷新是只直接在内存中的信息，刷新到外设，这种场景是非常少见的，因为这样非常消耗资源。

行刷新，就是缓冲区满了一行就刷新，也就是说我们在调用函数时有"\n"时就会进行刷新。

缓冲区满刷新，就是指缓冲区的内存满了，才会把缓冲区里面的内容刷新到外设中。

缓冲区的自动刷新规则：

• 用户强制刷新
• 进程退出

3、解释现象 

上面我们了解有关缓冲区的相关知识，那么为什么会出现我们上面的现象呢？

在代码结束前我们进行了子进程的创建：

代码结束之前，进行创建子进程
   1. 如果我们没有进行>,看到了4条消息
stdout 默认使用的是行刷新，在进程fork之前，三条C函数已经将数据进行打印输出到显示器上(外设),你的FILE内部，进程内部不存在对应的数据啦。
    2. 如果我们进行了>, 写入文件不再是显示器，而是普通文件，采用的刷新策略是全缓冲，之前的3条c显示函数，虽然带了\n,但是不足以stdout缓冲区写满！数据并没有被刷新！！！
    执行fork的时候，stdout属于父进程，创建子进程时， 紧接着就是进程退出！谁先退出，一定要进行缓冲区刷新(就是修改)
    由于写时拷贝！！数据最终会显示两份，所以在父子进程退出后，会立刻被缓冲区刷新，从而导致三条C函数分别进行了二次打印。
3. write为什么没有呢？

上面的过程都和wirte无关，wirte没有FILE，而用的是fd，就没有C提供的缓冲区

 这里我们就可以回答：

缓冲区在哪里：

在FILE*指向的FILE结构体中(这也就是为什么，我们自己要强制刷新的时候要传文件指针,fflush(文件指针)，fclose（文件指针）)。

重定向实验的现象:

因为我们虽然将open fd的内容要写入到add.txt中，但是由于add.txt是普通文件，他采取的方式是全缓存，就不足以以让缓冲区刷新到显示器(stdout）中，所以通过cat 命令查看会什么也查不出来。

二、模拟实现缓冲区 

这里我们分模块化实现：

1、makefile 

这里我们用makefile来完成对程序的自动化编译和构建程序：

test:test.c myStdio.c   //依赖关系                                                                                 
    gcc -o $@ $^ -std=c99//依赖方法
.PHONY:clean//声明伪目标clean
clean:
    rm -f test

2、myStdio.h 

在myStdio.h中对 缓冲区结构进行定义并且进行相关的函数声明：

#pragma once

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SIZE 1024
#define SYNC_NOW    1//sync能够马上刷新缓冲区（马上刷新）
#define SYNC_LINE   2//行刷新
#define SYNC_FULL   4//全缓冲刷新

typedef struct _FILE{
    int flags; //刷新方式
    int fileno;
    int cap; //buffer的总容量
    int size; //buffer当前的使用量
    char buffer[SIZE];
}FILE_;


FILE_ *fopen_(const char *path_name, const char *mode);
void fwrite_(const void *ptr, int num, FILE_ *fp);
void fclose_(FILE_ * fp);
void fflush_(FILE_ *fp)

 3、myStdio.c

 在myStdio.c中对 缓冲区功能函数进行实现:

这里我们主要实现:

fopen_打开文件。fwrite_x向文件中写入，fflush_刷新缓冲区,fclose_关闭文件

#include "myStdio.h"

FILE_ *fopen_(const char *path_name, const char *mode)
{
    int flags = 0;
    int defaultMode=0666;

    if(strcmp(mode, "r") == 0)
    {
        flags |= O_RDONLY;
    }
    else if(strcmp(mode, "w") == 0)
    {
        flags |= (O_WRONLY | O_CREAT |O_TRUNC);
    }
    else if(strcmp(mode, "a") == 0)
    {
        flags |= (O_WRONLY | O_CREAT |O_APPEND);
    }
    else
    {
        //TODO
    }
    int fd = 0;

    if(flags & O_RDONLY) fd = open(path_name, flags);
    else fd = open(path_name, flags, defaultMode);
    if(fd < 0)
    {
        const char *err = strerror(errno);
        write(2, err, strlen(err));
        return NULL; // 为什么打开文件失败会返回NULL
    }
    FILE_ *fp = (FILE_*)malloc(sizeof(FILE_));
    assert(fp);

    fp->flags = SYNC_LINE; //默认设置成为行刷新
    fp->fileno = fd;
    fp->cap = SIZE;
    fp->size = 0;
    memset(fp->buffer, 0 , SIZE);

    return fp; // 为什么你们打开一个文件，就会返回一个FILE *指针
}

void fwrite_(const void *ptr, int num, FILE_ *fp)
{
    // 1. 写入到缓冲区中
    memcpy(fp->buffer+fp->size, ptr, num); //这里我们不考虑缓冲区溢出的问题
    fp->size += num;

    // 2. 判断是否刷新
    if(fp->flags & SYNC_NOW)
    {
        write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
        fp->size = 0; //清空缓冲区
    }
    else if(fp->flags & SYNC_FULL)
    {
        if(fp->size == fp->cap)
        {
            write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
            fp->size = 0;
        }
    }
    else if(fp->flags & SYNC_LINE)
    {
        if (strcmp(&(fp->buffer[fp->size - 1]), "\n") == 0)
        {
            write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
            fp->size = 0;
        }
    }
    else{

    }
}

void fflush_(FILE_ *fp)
{
    if( fp->size > 0) write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
    fsync(fp->fileno); //将数据，强制要求OS进行外设刷新！
    fp->size = 0;
}

void fclose_(FILE_ * fp)
{
    fflush_(fp);
    close(fp->fileno);
}

4、test.c 

#include "myStdio.h"
#include 

int main()
{
    FILE_ *fp = fopen_("./hello.txt", "w");
    if(fp == NULL)
    {
        return 1;
    }
    int cnt = 10;
    const char *msg = "hello pjb ";
    while(1)
    {
        fwrite_(msg, strlen(msg), fp);
        sleep(1);
        printf("count: %d\n", cnt);
        cnt--;
        if(cnt == 0) break;
    }
    fclose_(fp);

    return 0;
}

 下面写一个简单的bush脚本：

 while :; do cat hello.txt;sleep 1;echo "###############";done

这是一个简单的 Bash 脚本，它的功能是循环读取并打印文件 "hello.txt" 的内容，并每隔 1 秒打印一条分隔线。

解释一下脚本的含义：

• while :; do 表示开始一个无限循环。
• cat hello.txt 使用 cat 命令读取并打印 "hello.txt" 文件的内容。
• sleep 1 表示暂停执行 1 秒，即等待一秒钟。
• echo "###############" 打印一条分隔线，由多个 "#" 字符组成。
• done 表示循环结束。

因此，执行这段脚本时，会不断循环读取并打印 "hello.txt" 文件的内容，每次打印之间会有一秒的暂停，并且在每次打印后会输出一条分隔线。

请确保当前目录下存在名为 "hello.txt" 的文件，并且具有可读权限。

测试：

 1、当写入文件的msg字符串不带换行符时。

    const char *msg = "hello pjb ";

 

 这里我们观察到当程序结束时，才将缓冲区中的内容刷新到hello.txt文件中。

2、当写入文件的msg字符串带换行符

    const char *msg = "hello pjb\n";

这里名为可以验证到带\n普通文件是逐行进行刷新的。

缓冲区总结 ：

看到这些现象我们不由的想缓存区的刷新策略：有全缓存，行缓冲，立即刷新。

上面是我们自己进行的封装，但是这和os（操作系统）有什么关系呢?下面来看一幅图

 

这幅图大致说明了字符串，要写入到文件中，需要经过层层拷贝在 最终由操作系统(OS)决定刷新到磁盘文件中。

这里我们要注意的是，在有用户刷新到C语言的缓冲区(FILE)中才会遵循全缓冲，行缓冲。对于操作系统来说他会自己调配资源进行刷新。

特别注意：

我们也可以强制OS刷新，调用fflush()就可以了。

ffush（）的底层：

void fflush_(FILE_ *fp)
{
    if( fp->size > 0) write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
    fsync(fp->fileno); //将数据，强制要求OS进行外设刷新！
    fp->size = 0;
}

其实是调用来fsync的接口进行强制刷新。