【玩转Linux】标准io缓冲区的操作

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一、缓冲区概念

        标准I/O缓冲区是用于提高I/O性能的一种机制，它位于标准C库中，并由标准I/O函数自动管理。标准I/O库通过在内存中创建缓冲区来减少频繁的系统调用，从而提高读写操作的效率。

标准I/O库使用三种类型的缓冲区：

        1. 全缓冲（Fully Buffered）

         当使用全缓冲模式时，标准I/O库会在内存中创建一个较大的缓冲区（通常大小为BUFSIZ），直到缓冲区被填满或遇到换行符（'\n'）时才会将数据写入磁盘。全缓冲适用于文件和大量数据的I/O操作，减少了系统调用的次数，提高了效率。

        2. 行缓冲（Line Buffered

         行缓冲模式下，标准I/O库会在遇到换行符（'\n'）时将数据写入磁盘，或者当缓冲区被填满时也会进行写入。行缓冲适用于终端设备（如终端窗口），可以保证每行数据都及时输出，方便用户查看输出结果。

        3. 无缓冲（Unbuffered）

         无缓冲模式下，标准I/O库会立即将数据写入磁盘，不使用缓冲区。每次调用I/O函数都会导致实际的系统调用，适用于需要立即刷新数据到磁盘的场景，如实时输出错误信息。

        标准I/O函数会自动选择合适的缓冲模式，但你也可以使用setvbuf函数来显式地设置缓冲模式和自定义缓冲区。

        对于标准输入（stdin）、标准输出（stdout）和标准错误（stderr），它们的默认缓冲模式通常是行缓冲（对于交互式终端）或全缓冲（对于文件和重定向）。

        需要注意的是，标准I/O缓冲区是由C库管理的，所以在使用标准I/O函数时，要确保及时刷新缓冲区，以免数据在缓冲区中滞留而未及时输出。可以使用fflush函数来手动刷新缓冲区，确保数据及时写入磁盘或终端。

二、SETBUF函数

  setbuf函数用于设置标准I/O流的缓冲区，从而控制I/O的缓冲方式。它允许你自定义缓冲区，或者禁用缓冲。setbuf函数的原型如下：

#include <stdio.h>
​
void setbuf(FILE *stream, char *buffer);

        参数说明：

• stream：指向要设置缓冲区的文件流，可以是标准输入(stdin)、标准输出(stdout)、标准错误(stderr)或者其他已打开的文件流。

• buffer：指向自定义缓冲区的指针。如果传递NULL，则表示禁用缓冲，使I/O变为无缓冲。

setbuf函数允许两种方式的缓冲：

1. 全缓冲：如果buffer指向一个大小大于0的缓冲区，那么I/O操作将使用全缓冲模式。这意味着在填满整个缓冲区或者遇到换行符('\n')时，才会进行实际的I/O操作。

2. 无缓冲：如果buffer为NULL，或者大小为0，那么I/O操作将变为无缓冲模式。这意味着每次调用输出函数(printf、putchar等)或者输入函数(scanf、getchar等)，都会立即进行I/O操作，而不会在内存中缓冲数据。

在使用setbuf函数时，要注意以下几点：

1. 调用setbuf函数应该在打开文件流或者任何I/O操作之前，否则可能不会生效。

2. 如果要使用自定义的缓冲区，确保缓冲区足够大，以避免缓冲区溢出。

3. 如果设置为无缓冲，要注意频繁的I/O操作可能会导致性能下降，因为每次调用I/O函数都会进行实际的I/O操作，这会增加系统开销。

4. 当使用自定义缓冲区时，不要在buffer指向的缓冲区被释放或者失效后再进行I/O操作，以免导致未定义的行为。

        示例：使用全缓冲模式设置标准输出(stdout)的缓冲区为一个大小为BUFSIZ（通常是1024字节）的缓冲区。

#include <stdio.h>
​
int main() {char buf[BUFSIZ];setbuf(stdout, buf);
​printf("This will be buffered\n");fflush(stdout); // 强制刷新缓冲区，立即输出printf("This will also be buffered\n");
​return 0;
}

        示例：禁用标准输出(stdout)的缓冲区，使其变为无缓冲模式。

#include <stdio.h>
​
int main() {setbuf(stdout, NULL); // 禁用缓冲
​printf("This will be immediately output\n");printf("No buffering in this case\n");
​return 0;
}

三、SETVBUF函数

   setvbuf函数也是用于设置标准I/O流的缓冲方式，与setbuf函数类似，但提供更灵活的缓冲控制。setvbuf函数允许你自定义缓冲区，并且可以指定缓冲类型，包括全缓冲、行缓冲和无缓冲。它的原型如下：

#include <stdio.h>
​
int setvbuf(FILE *stream, char *buffer, int mode, size_t size);

参数说明：

• stream：指向要设置缓冲区的文件流，可以是标准输入(stdin)、标准输出(stdout)、标准错误(stderr)或者其他已打开的文件流。

• buffer：指向自定义缓冲区的指针。如果传递NULL，则会使用系统默认的缓冲区。

• mode：指定缓冲类型，可以是以下值之一：

  • _IOFBF：全缓冲模式。使用指定的缓冲区，并在填满整个缓冲区时才进行实际的I/O操作。

  • _IOLBF：行缓冲模式。使用指定的缓冲区，并在遇到换行符('\n')时才进行实际的I/O操作。

  • _IONBF：无缓冲模式。禁用缓冲，每次调用I/O函数都会立即进行实际的I/O操作。

• size：指定缓冲区大小。对于全缓冲和行缓冲模式，size表示缓冲区大小；对于无缓冲模式，size被忽略，可以设置为0。

   setvbuf函数的返回值是非零值表示成功，返回0表示失败。

        另外在使用setvbuf函数时，可以根据需要设置不同类型的缓冲模式和缓冲区大小。对于全缓冲和行缓冲，需要确保缓冲区足够大，以避免缓冲区溢出。而对于无缓冲模式，要注意频繁的I/O操作可能会导致性能下降。

        示例：使用全缓冲模式设置标准输出(stdout)的缓冲区为一个大小为BUFSIZ（通常是1024字节）的缓冲区。

#include <stdio.h>
​
int main() {char buf[BUFSIZ];setvbuf(stdout, buf, _IOFBF, BUFSIZ);
​printf("This will be buffered\n");fflush(stdout); // 强制刷新缓冲区，立即输出printf("This will also be buffered\n");
​return 0;
}

        示例：使用行缓冲模式设置标准输出(stdout)的缓冲区。

#include <stdio.h>
​
int main() {char buf[BUFSIZ];setvbuf(stdout, buf, _IOLBF, BUFSIZ);
​printf("This will be line buffered\n");printf("This will also be line buffered\n");
​return 0;
}

        示例：禁用标准输出(stdout)的缓冲区，使其变为无缓冲模式。

#include <stdio.h>
​
int main() {setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0); // 禁用缓冲
​printf("This will be immediately output\n");printf("No buffering in this case\n");
​return 0;
}

        但要注意：在某些系统上，对标准输入(stdin)和标准输出(stdout)的缓冲设置可能不会生效，因为它们是由标准库提供的，并且可能使用了系统默认的缓冲设置。所以在实际使用中，最好将setvbuf函数用于文件流而不是标准输入和标准输出。

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