【Linux】语言层面缓冲区的刷新问题以及简易模拟实现

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前言

我们接下来要谈论的是我们语言层面的缓冲区（C，C++之类的），不是我们操作系统内核里面自带的缓冲区，我们每次在打开一个文件的时候，以C语言为例子，C语言会为我们所打开的这个文件分配一块缓冲区，用来缓存我们读写的数据`，这个缓冲区会被放在我们创建的FILE的结构体里面，里面存放着缓冲区的字段和维护信息

一、缓冲区刷新方法分类

a.无缓冲–直接刷新

b.行缓冲–不刷新，直到碰到\n才刷新

显示器写入一般采用的是行缓冲

c.全缓冲–缓冲区满了才刷新

文件写入一般采用的是全缓冲，缓冲区满了或者程序结束的时候刷新

二、 缓冲区的常见刷新问题

1.问题

我们将可执行文件内容重定向到log1里面

最后我们发现与C有关的接口被打印了两次，这是什么原因呢？

之前我们说过，我们朝文件里面写入是全缓冲，也就是等缓冲区满了或者程序结束的时候去刷新，打印两次的都是属于C语言的接口， 其会建立一个语言层面的缓冲区， 我们在fork之前，printf，fprintf，fwrite写入的数据都存放在语言层面的缓冲区，fork之后创建子进程，子进程对父进程的数据内容进行拷贝，因为此时缓冲区为刷新，子进程会连同父进程语言层面缓冲区内容一起拷贝
所以之后，父子进程语言层面的缓冲区中都存放着相同的数据，在程序结束的时候会对语言层面的缓冲区进行刷新，将其刷新到系统里面的缓冲区，

若子进程先刷新，因为对父进程数据进行更改了（即清空语言缓冲区），这个时候会发生写实拷贝，之后子进程缓冲区的数据就被刷新到系统缓冲区了。
父进程同理，也会进行一遍缓冲区的刷新，父子进程都对数据进行了刷新写入系统缓冲区，所以文件里面就会写入两次。

wirite属于系统接口，调用以后会直接写入到内核缓冲区里面，之后写入硬盘文件中，没有语言层面缓冲区概念，所以只写入文件一次

2.刷新本质

用户刷新的本质是通关重定向到文件描述符为1的文件（stdout）+write写入内核缓冲区，FILE对象属于用户不是操作系统，FILE里面的缓冲区属于语言层面的缓冲区（用户级缓冲区），目前我们认为，只要数据刷新到了内核中，数据就可以写入硬件了

这些C接口最后写入内核缓冲区，本质都是调用write的系统接口

三、模拟实现

1.Mystdio.h

#include 

#define SIZE 1024

#define FLUSH_NOW 1//无缓冲
#define FLUSH_LINE 2//行缓冲
#define FLUSH_ALL 4//全缓冲

typedef struct IO_FILE{
    int fileno;//文件描述符
    int flag; //刷新方式
    
    char outbuffer[SIZE]; // 简单模拟语言层缓冲区
    int out_pos;//缓冲区当前大小
}_FILE;

_FILE * _fopen(const char*filename, const char *flag);
int _fwrite(_FILE *fp, const char *s, int len);
void _fclose(_FILE *fp);

2.Mystdio.c

#include "Mystdio.h"
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define FILE_MODE 0666//文件默认权限

 
_FILE * _fopen(const char*filename, const char *flag)
{
    assert(filename);
    assert(flag);

    int f = 0;//文件的写入方式
    int fd = -1;//文件描述符
    if(strcmp(flag, "w") == 0) {
        f = (O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC);
        fd = open(filename, f, FILE_MODE);
        //获取文件描述符
    }
    else if(strcmp(flag, "a") == 0) {
        f = (O_CREAT|O_WRONLY|O_APPEND);
        fd = open(filename, f, FILE_MODE);
    }
    else if(strcmp(flag, "r") == 0) {
        f = O_RDONLY;
        fd = open(filename, f);
    }
    else 
        return NULL;

    if(fd == -1) return NULL;

    _FILE *fp = (_FILE*)malloc(sizeof(_FILE));
    //创建文件指针结构体
    if(fp == NULL) return NULL;

    fp->fileno = fd;
    //fp->flag = FLUSH_LINE;
    fp->flag = FLUSH_ALL;
    fp->out_pos = 0;

    return fp;
}

 
int _fwrite(_FILE *fp, const char *s, int len)
{
    // "abcd\n"
    memcpy(&fp->outbuffer[fp->out_pos], s, len); // 没有做异常处理, 也不考虑局部问题
    fp->out_pos += len;

    if(fp->flag&FLUSH_NOW)//无缓冲
    {
        write(fp->fileno, fp->outbuffer, fp->out_pos);
        fp->out_pos = 0;
    }
    else if(fp->flag&FLUSH_LINE)//行缓冲
    {
        if(fp->outbuffer[fp->out_pos-1] == '\n'){ // 不考虑其他情况
            write(fp->fileno, fp->outbuffer, fp->out_pos);
            fp->out_pos = 0;
        }
    }
    else if(fp->flag & FLUSH_ALL)//全缓冲
    {
        if(fp->out_pos == SIZE){
            write(fp->fileno, fp->outbuffer, fp->out_pos);
            fp->out_pos = 0;
        }
    }

    return len;
}

void _fflush(_FILE *fp)//手动刷新缓冲区
{
    if(fp->out_pos > 0){
        write(fp->fileno, fp->outbuffer, fp->out_pos);
        fp->out_pos = 0;
    }
}

void _fclose(_FILE *fp)
{
    if(fp == NULL) return;
    _fflush(fp);
    close(fp->fileno);
    free(fp);
}

3.main.c

#include "Mystdio.h"
#include 

#define myfile "test.txt"

int main()
{
    _FILE *fp = _fopen(myfile, "a");
    if(fp == NULL) return 1;

    const char *msg = "hello world\n";
    int cnt = 10;
    while(cnt){
        _fwrite(fp, msg, strlen(msg));
        // fflush(fp);
        sleep(1);
        cnt--;
    }

    _fclose(fp);

    return 0;
}