Linux系统编程—I/O缓冲区(C语言实现)

I/O缓冲区

进程的I/O缓冲区机制是计算机操作系统中一个重要的概念，它涉及到数据在内存和外设之间的传输。以下是关于进程的I/O缓冲区机制的详细解释：

1.定义与作用

1. 定义：I/O缓冲区是指在内存里开辟的一块区域，用来存放接收用户输入和用于计算机输出的数据，以减小系统开销和提高外设效率。

2. 作用：

   • 平滑I/O需求峰值：通过缓冲区，可以使得数据的传输更加平滑，避免因为I/O设备的速度差异而导致的数据传输瓶颈。
   • 提高系统速度：使用缓冲区可以使得用户进程在下一数据块读取的同时，处理已读入的数据块，从而提高系统的整体速度。

2.缓冲区的工作原理

1. 数据读写过程：

   • 当进程需要读取数据时，它向操作系统发出请求，操作系统随即向磁盘控制硬件发出命令，要求其从磁盘读取数据。磁盘控制器把数据直接写入内核内存缓冲区（这一步通过DMA完成，无需主CPU协助）。
   • 一旦磁盘控制器把缓冲区装满，内核即把数据从内核空间的临时缓冲区拷贝到进程执行read()调用时指定的缓冲区。
   • 当进程需要写入数据时，它先把数据写入到缓冲区中，然后操作系统在适当的时候将数据从缓冲区传输到外设中。

2. 用户空间与内核空间：

   • 用户空间是常规进程所在区域，是非特权区域，该区域的代码不能直接访问硬件设备。
   • 内核空间是操作系统所在区域，有特别的权利，能与设备控制器通讯，控制用户区域进程的运行状态等。所有I/O都直接或间接通过内核空间完成。

3.缓冲模式

C标准库中的缓冲模式主要有三种：

1. 全缓冲（Fully Buffered）：数据填满缓冲区后才进行实际的I/O操作。通常用于文件操作。
2. 行缓冲（Line Buffered）：遇到换行符（\n）或缓冲区满时，进行实际的I/O操作。通常用于终端输入/输出（如标准输入和标准输出）。
3. 无缓冲（Unbuffered）：每个I/O操作都直接进行，不使用缓冲区。通常用于一些需要实时性的场景。

设置缓冲模式

可以使用setvbuf函数来设置缓冲模式和缓冲区。setvbuf函数的原型如下：

void setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);

• stream：指向FILE对象的指针，表示要设置缓冲模式的文件流。
• buf：用户提供的缓冲区，如果为NULL，则分配一个指定大小的缓冲区。
• mode：缓冲模式，可以是以下三个宏之一：
  • _IOFBF：全缓冲
  • _IOLBF：行缓冲
  • _IONBF：无缓冲
• size：缓冲区的大小，以字节为单位。

示例代码

以下是一个示例代码，演示如何设置不同的缓冲模式：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {FILE *fp;char buffer[1024];// 打开文件用于写入fp = fopen("example.txt", "w");if (fp == NULL) {perror("Failed to open file");return EXIT_FAILURE;}// 设置全缓冲模式，使用自定义缓冲区setvbuf(fp, buffer, _IOFBF, sizeof(buffer));fprintf(fp, "This is a fully buffered output.\n");// 此时数据可能还未写入文件，因为缓冲区未满// 强制刷新缓冲区，确保数据写入文件fflush(fp);// 设置行缓冲模式setvbuf(stdout, NULL, _IOLBF, 0);printf("This is a line buffered output.\n");// 数据在遇到换行符时写入标准输出// 设置无缓冲模式setvbuf(stderr, NULL, _IONBF, 0);fprintf(stderr, "This is an unbuffered output.\n");// 数据立即写入标准错误输出// 关闭文件fclose(fp);return EXIT_SUCCESS;
}

刷新缓冲

fflush函数用于刷新缓冲区，将缓冲区中的数据立即进行I/O操作。fflush函数的原型如下：

int fflush(FILE *stream);

• stream：指向FILE对象的指针，如果为NULL，则刷新所有打开的文件流。

注意事项

• 使用自定义缓冲区时，要确保缓冲区在文件流使用期间有效。
• 在多线程环境中，对同一个文件流进行并发访问时，要谨慎使用缓冲区和fflush，以避免数据竞争和未定义行为。

通过理解C语言中的I/O缓冲区机制和如何使用setvbuf和fflush函数，可以更好地控制数据的读写行为，提高程序的效率和可靠性。