从内核到应用层：Linux缓冲机制与语言缓冲区的协同解析

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前言

上篇我们介绍了，文件的重定向操作以及文件描述符的概念，今天我们再来学习一个和文件相关的知识-----------用户缓冲区。
在操作系统中，缓冲区是实现高效资源管理的关键进制，缓冲区可以帮助用户、系统暂存读取及写入数据，规避了用户频繁的I/O操作，可以很好的提高系统的性能和用户的体验。

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一、缓冲区

由于我们对缓冲区接触的比较少，所以在讲解这部分知识时，我们会引入大量的代码示例，后面我们会对这些示例及结果逐一分析。

1.1 示例1

下列函数均向标准输出打印

    1 #include<stdio.h>2 #include<string.h>3 #include<unistd.h>4 int main()5 {6   char *fstr="hello fwrite\n";7   char *wstr="hello witer\n";8   //c函数9   printf("hello printf\n");10   fprintf(stdout,"hello fprintf\n");11   fwrite(fstr,1,strlen(fstr),stdout);                                                                                           12   //系统调用接口                                                                                                       13   write(1,wstr,strlen(wstr));                                                                                          14   return 0;                                                                                                            15 }   

执行结果1：

将输出重定向至log1.txt

./myfile >log1.txt

执行结果2：

到现在执行结果都是我们可以接受的，不要着急继续向下看。

    1 #include<stdio.h>2 #include<string.h>3 #include<unistd.h>4 int main()5 {6   char *fstr="hello fwrite\n";7   char *wstr="hello witer\n";8   //c函数9   printf("hello printf\n");10   fprintf(stdout,"hello fprintf\n");11   fwrite(fstr,1,strlen(fstr),stdout);12   //系统调用接口13   write(1,wstr,strlen(wstr));14   fork();                                                                                                                       15   return 0;                                                 16 }       

我们在文件末尾处创建了一个子进程，重复上面实验：
执行结果3：

将文件重定向输入到log2.txt

./myfile >log2.txt

执行结果4：

通过和前三次执行结果对比，我们可以看到向文件log2.txt打印的结果，库函数打印了两次，系统调用接口只打印了一次，通过对比结果2和结果4，我们可以知道一定是fork()函数产生的影响，那么为什么fork()没有对结果3产影响呢？带着这两问题我们继续往下看。

1.2 缓冲区的概念

我们接着来看下面这两个示例：

    1 #include<stdio.h>                                            2 #include<string.h>                                           3 #include<unistd.h>                                           4 int main()                                                   5 {                                                            6   char *fstr="hello fwrite\n";                               7   char *wstr="hello witer\n";                                8   //c函数                                                    9   printf("hello printf\n");                                  10   fprintf(stdout,"hello fprintf\n");                         11   fwrite(fstr,1,strlen(fstr),stdout);                        12   //系统调用接口13   write(1,wstr,strlen(wstr));                                                                                                   14   //fork();15   close(1);16   return 0;                      17 }

当执行完上面四个调用后我们使用close()函数关闭文件描述符1的文件。

此时并没有对程序执行结果造成影响，下面我们将\n全部去掉，继续执行程序。

    1 #include<stdio.h>2 #include<string.h>3 #include<unistd.h>4 int main()5 {6   char *fstr="hello fwrite";7   char *wstr="hello witer";8   //c函数9   printf("hello printf");10   fprintf(stdout,"hello fprintf");                                                                                              11   fwrite(fstr,1,strlen(fstr),stdout);12   //系统调用接口13   write(1,wstr,strlen(wstr));14   //fork();15   close(1);16   return 0;17 }

可以看到此时只有系统调用接口成功将内容打印了出来，这又是怎么回事呢，相信大家早在学习C语言时，就听说过缓冲区，下面我们就来慢慢的回答上面一系列问题。

结合下面的解释看这个图，一定要仔细看，精华全在图上！！！！！
首先我们要清楚的一点是，printf/fprintf/fwrite全部是封装的系统调用write。在我们的内核中，进程会拥有对于的task_struct结构体，这个结构体对象包含一个文件结构体指针（上篇我们讲了，这里我们认为此时它指向显示器文件的file对象），通过这个文件对象可以找到内核缓冲区，所以的输入、输出，都需要经过这个缓冲区才能到达对应的磁盘中（包含硬件设备），当我们在执行C语言函数时，结果并不会直接打印在屏幕上，而是先存入C语言的缓存区，这一点通过上面的示例也能感受到，当程序执行到合适的时间，就会调用系统接口write，write通过文件描述符找到对应的文件对象，然后才能将c语言缓冲区的内容输出到内核缓冲区，当数据到达内核缓冲区，符合条件，就会被刷新到显示器上（磁盘），这个条件我们后面会介绍。

当程序执行系统调用write时，它会根据我们给他提供的文件描述符，找到对应的文件对象，直接将内容输出到内核缓冲区。有了这些概念，我们来分析上面代码。

当我们执行的程序执行c函数时，它会先将内容存入C语言的缓冲区，但程序执行系统调用时，他是将内容直接刷新到了系统缓冲区，程序继续向下执行close(1)显示器文件被关闭，此时c函数调用系统调用write想要将处在C语言缓冲区的数据输出道系统缓冲区，但是此时write已经无法找到显示器结构体对象了，素以无法实现，最后程序结束，系统缓冲区被刷新到显示器，结果表现为只有系统调用打印成功。到了这里我们算是回答了一个问题，那么为什么打印数据后加\n，就可以输出成功呢？要回答这个问题我们就要来谈一谈缓冲区刷新方案了。

二、缓冲区刷新方案

在这里我们只谈C语言的缓冲区刷新方案，我们将这种语言及的缓冲区称为用户及缓冲区（每个语言都会提供）。
缓冲区刷新方案主要有三种：

• 无缓冲-------直接刷新
• 行缓冲--------不刷新，直到碰见\n（一般为向显示器打印时采用）
• 全缓冲----------缓冲区满了，才刷新（一般为向文件打印时采用）

此外当程序执行结束后也会进行刷新。

现在我们可以来回答为什么，这里不受文件关闭的影响了。

当程序执行C函数时，会先将数据存入用户及缓冲区，但用户及缓冲区判断数据存在\n就会立即调用write将数据刷新到系统的缓冲区（此时文件还没有关闭）。

下面我们来回答这个问题

为什么我们对程序进行重载后，C函数的结果打印了两次。

当执行这个程序时，我们对他它重定向到文件，此时缓冲区刷新方案由之前的行缓冲变为全缓冲，所以c函数的执行结果会被存储在用户级缓冲区，而write的执行结果则会直接存入系统缓冲区，此时创建子进程，程序结束时，父进程要调用write将用户级缓冲区数据刷新到系统缓冲区上（这个行为会将用户及缓冲区数据清空），触发写时拷贝，子进程结束后也会将数据刷新，这时就有两份数据打印到了文件中。

不知道大家有没有注意到，我们上面例子的结果打印顺序，也出现了变化，刚刚的这个逻辑同样能解释这个问题，到了这里我们算是将问题都解决了

三、缓冲区的作用及存储

提高用户效率

在我们调用C函数向显示器或文件写入数据时，若没有缓冲区存在，其底层就会不断的去调用write函数，执行效率较低。

配合格式化

我们学习的printf/fprintf等函数，都是格式化输出函数（如使用%d格式化数据）但是在操作系统中并没有整形、浮点型等概念，在向显示器或文件打印时统一被作为字符输出，所以用户级缓冲区的作用就是将数据格式化处理后，再交有系统接口。

用户级缓冲区存储位置

用户缓冲区实际是被定义再FILE结构体中的。