【Linux】缓冲区理解

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1. 一个奇怪的现象

#include 
#include 
#include 
int main()
{
    printf("hello printf\n");
    fprintf(stdout, "hello fprintf\n");
    fputs("hello fputs\n", stdout);

    const char* msg = "hello write\n";
    write(1, msg, strlen(msg));
    fork();
    return 0;
}

这个运行结果看起来是没有任何问题的。那么现在我们把运行结果进行一次重定向

明显看到打印出来的数据变多了，这是什么原因呢？

这里我们把fork给去掉试试？

所以可以推测出来一定是fork的问题。

仔细观察可以发现，出现重复打印的是C语言的接口，所以应该是C语言的问题

这里面实际上是一个C语言缓冲区的问题，接下来我们来了解一下这个C语言缓冲区的相关内容

2. 为什么要有缓冲区

1. 缓冲区是什么？

缓冲区本质上就是一段内存 在内存中提前预留一段空间，用来存储即将输入或者输出的内容，这一段预留的空间就是缓冲区。

2. 为什么要有缓冲区？

我们知道内存相对于外设来说是一个高速设备，如果每次IO都要从外设读取或者直接写到外设，这种等待的时间太长了（相对来说），所以就干脆预留一段空间，将所有需要写入到外设的数据拷贝到内存的某个空间（缓冲区），然后由操作系统决定什么时候真正写入到外设。这种方式能够很大的提高效率。这个拷贝数据的过程我们并不需要手动实现，而是通过fwrite来实现，那么实际上这个fwrite的本质就是一个拷贝功能的函数，fread同理

**通过这种策略，数据可以直接拷贝到缓冲区，高速设备不用在等待低速设备，提高计算机的效率。 **

3. 缓冲区的刷新策略

上文中我们说到，缓冲区的数据什么时候真正写到磁盘中是由操作系统决定的，那么操作系统将缓冲区的内容写到磁盘中遵循什么样的策略呢？

缓冲区的刷新策略：

1. 立即刷新（无缓冲）缓冲区中一出现数据就刷新到外设中——这种很少出现

2. 行刷新（行缓冲）——数据按行刷新，每拷贝一行数据就刷新一次，显示器采用的就是这种刷新策略，因为显示器是给人看了，而按行刷新符合人的阅读习惯，同时刷新效率也不会太低

3. 缓冲区满刷新（全缓冲）——待数据把缓冲区填满后再刷新，这种刷新方式效率最高，一般应用于磁盘文件

两种特殊情况：

• 用户使用 fflush 等函数强制进行缓冲区刷新；
• 一般进程推出后缓冲区会被刷新

4. 缓冲区在哪里

把思绪回到文章开头的那个现象中，有了现在的知识储备，我们再来思考一下这个现象：加上fork之后，向显示器上打印的数据有四条，向文件中写入的数据有七条，那么肯定是有三条数据在缓冲区中没有被刷新出来。注意：这三条数据是C语言提供的接口产生的，系统调用的接口并没有出现这种现象，所以这个缓冲区肯定是在语言层的。

实际上，C语言封装了一个FILE结构体，在FILE结构体中，除了我们之前说的fd之外，还维护了一个缓冲区

我们来找一找FILE结构体的源码

在/usr/include/stdio.h中

在/usr/include/libio.h中

所以现在我们再来解释一下这个奇怪的现象：

• 一般C库函数写入文件的时候是全缓冲的，但是写入到显示器是行缓冲
• printf fwrite库函数是自带缓冲区的，当发生了重定向之后，写入显示器的行缓冲就会变成全缓冲
• 所以我们放入缓冲区的数据不会被立刻刷新，直到fork之后，这个缓冲区也被拷贝了两份
• 进程退出之后，所有的缓冲区数据会被刷新，写入到文件中，包括子进程的缓冲区，所以就有了两份数据
• 由于这个缓冲区是语言层的，write系统调用并没有这个缓冲区，所以write的数据不会被拷贝两份

简单总结来说：重定向导致刷新策略发生了改变（由行缓冲变成了全缓冲）。同时发生了写时拷贝，缓冲区的数据变成了两份一样的，父子进程各自刷新，出现重复写入同一份数据。

5. 实现一个简易的C语言FILE结构体

注意，这里实现的只是demo级的FILE，当然会有很多bug，理解其中意思就行。

/* myStdio.h */
#pragma once

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

#define SIZE 1024 // 缓冲区容量

// 缓冲区刷新策略
#define SYNC_NOW 1
#define SYNC_LINE 2
#define SYNC_FULL  4

typedef struct _FILE //定义的FILE结构体
{
    int fileno;           //文件描述符
    int flag;             //缓冲区刷新方式
    char buffer[SIZE];    //缓冲区
    int cap;              //缓冲区容量
    int size;             //缓冲区写入的数据大小
}FILE_;

//这里我们自己实现的函数和结构体在后面加了下划线
FILE_ *fopen_(const char* path_name, const char* mode);
void fclose_(FILE_* fp);
void fflush_(FILE_* fp);
void fwrite_(const void *ptr, int num, FILE_* fp);

/* myStdio.c */
#include "myStdio.h"
FILE_ *fopen_(const char* path_name, const char* mode)
{
    int flags = 0; // 打开方式
    int defaultMode = 0666; // 默认的创建文件权限
    //设置打开的方式
    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
    {
        //do nothing
    }
    //按照不同方式打开文件并记录文件的fd
    int fd = 0;
    if(flags & O_RDONLY) // 只读
        fd = open(path_name, flags);
    else //可能要创建
        fd = open(path_name, flags, defaultMode);
    if(fd < 0)
    {
        //文件打开失败
        char* str = strerror(errno);
        write(2, str, strlen(str));
        return NULL;
    }
    //文件打开成功，构造FILE*对象并填充内容
    FILE_* fp = (FILE_*)malloc(sizeof(FILE_));
    if(fp == NULL)
    {
        char* str = strerror(errno);
        write(2, str, strlen(str));
        return NULL;
    }
    fp->fileno = fd;
    fp->cap = SIZE;
    fp->size = 0;
    memset(fp->buffer, 0, SIZE);
    fp->flag = SYNC_LINE;
    return fp;
}

void fflush_(FILE_* fp)
{
    //如果缓冲区有内容的话执行写入
    if(fp->size > 0)
    {
        write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
        fp->size = 0;
    }
}

void fclose_(FILE_* fp)
{
    //刷新缓冲区
    fflush_(fp);
    //关闭文件
    close(fp->fileno);
    //释放FILE结构体
    free(fp);
    fp = NULL;
}
void fwrite_(const void *ptr, int num, FILE_* fp)
{
    //写到缓冲区(本质上是拷贝，吧数据从ptr中拷贝到fp->buffer)
    memcpy(fp->buffer + fp->size, ptr, num);
    fp->size += num;
    //执行刷新策略
    if(fp->flag & SYNC_NOW) //无缓冲
    {
        if(fp->size != 0)
        {
            write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
            fp->size = 0;//清空缓冲区
        }
    }
    else if(fp->flag & SYNC_LINE) // 行缓冲
    {
        if(fp->buffer[fp->size - 1] == '\n') //这里不考虑 abcd\nefg
        {
            write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
            fp->size = 0;//清空缓冲区
        }
    }
    else if(fp->flag & SYNC_FULL) // 全缓冲
    {
        if(fp->size == fp->cap)
        {
            write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
            fp->size = 0;//清空缓冲区
        }
    }
    else
    {
        //do nothing
    }
}

/* mian.c */
#include "myStdio.h"

int main()
{
    FILE_* fp = fopen_("./log.txt", "w");
    if(fp == NULL)
    {
        return 1;
    }
    const char* msg = "hello world\n";
    fwrite_(msg, strlen(msg), fp);


    fclose_(fp);
    return 0;
}

6. 缓冲区理解

实际上我们上文中一直在讲的是都是语言层面的缓冲区，但是**操作系统也是有缓冲区的** 。

我们在把一串信息写入到外设（磁盘）中的时候，经历了以下过程

1. 通过fputs、fprintf、fwrite等函数把massage写入到**FILE结构体中的缓冲区 **；
2. 通过系统调用write将FILE结构体中的缓冲区内容写入到OS内核缓冲区中；
3. 由OS决定什么时候将OS内核的数据真正写入到磁盘中；

那么，出现一个问题，如果在第二步结束之后，操作系统宕机了，怎么办？

可能会导致数据丢失。

那么如果在一个对数据丢失0容忍的系统内出现这个问题咋办？

有一个系统调用可以解决这个问题：fsync

这个系统调用的功能就是：强制将内核缓冲区中的数据立刻同步到外设中，而不再采用操作系统的刷新策略

所以，我们上文中实现的fflush_函数事实上得加上这句话

void fflush_(FILE_* fp)
{
    //如果缓冲区有内容的话执行写入
    if(fp->size > 0)
    {
        write(fp->fileno, fp->buffer, fp->size);
        fp->size = 0;
        fsync(fp->fileno);
    }
}

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本节完…