1.C标准库的I/O缓冲区
UNIX的传统 是Everything is a file,键盘、显示器、串口、磁盘等设备在/dev 目录下都有一个特殊的设备文件与之对应,这些设备文件也可以像普通文件(保存在磁盘上的文件)一样打开、读、写和关闭,使用的函数接口是相同的。用户程序调用C标准I/O库函数读写普通文件或设备,而这些库函数要通过系统调用把读写请求传给内核 ,最终由内核驱动磁盘或设备完成I/O操作。C标准库为每个打开的文件分配一个I/O缓冲区以加速读写操作,通过文件的FILE 结构体可以找到这个缓冲区,用户调用读写函数大多数时候都在I/O缓冲区中读写,只有少数时候需要把读写请求传给内核。以fgetc / fputc 为例,当用户程序第一次调用fgetc 读一个字节时,fgetc 函数可能通过系统调用 进入内核读1K字节到I/O缓冲区中,然后返回I/O缓冲区中的第一个字节给用户,把读写位置指 向I/O缓冲区中的第二个字符,以后用户再调fgetc ,就直接从I/O缓冲区中读取,而不需要进内核 了,当用户把这1K字节都读完之后,再次调用fgetc 时,fgetc 函数会再次进入内核读1K字节 到I/O缓冲区中。在这个场景中用户程序、C标准库和内核之间的关系就像在“Memory Hierarchy”中 CPU、Cache和内存之间的关系一样,C标准库之所以会从内核预读一些数据放 在I/O缓冲区中,是希望用户程序随后要用到这些数据,C标准库的I/O缓冲区也在用户空间,直接 从用户空间读取数据比进内核读数据要快得多。另一方面,用户程序调用fputc 通常只是写到I/O缓 冲区中,这样fputc 函数可以很快地返回,如果I/O缓冲区写满了,fputc 就通过系统调用把I/O缓冲 区中的数据传给内核,内核最终把数据写回磁盘或设备。有时候用户程序希望把I/O缓冲区中的数据立刻 传给内核,让内核写回设备或磁盘,这称为Flush操作,对应的库函数是fflush,fclose函数在关闭文件 之前也会做Flush操作。
我们知道main 函数被启动代码这样调用:exit(main(argc, argv));。
main 函数return时启动代码会 调用exit ,exit 函数首先关闭所有尚未关闭的FILE *指针(关闭之前要做Flush操作),然后通 过_exit 系统调用进入内核退出当前进程.
C标准库的I/O缓冲区有三种类型:全缓冲、行缓冲和无缓冲。当用户程序调用库函数做写操作时, 不同类型的缓冲区具有不同特性。
全缓冲
如果缓冲区写满了就写回内核。常规文件通常是全缓冲的。
行缓冲
如果用户程序写的数据中有换行符就把这一行写回内核,或者如果缓冲区写满了就写回内 核。标准输入和标准输出对应终端设备时通常是行缓冲的。
无缓冲
用户程序每次调库函数做写操作都要通过系统调用写回内核。标准错误输出通常是无缓冲的,这样用户程序产生的错误信息可以尽快输出到设备。
除了写满缓冲区、写入换行符之外,行缓冲还有两种情况会自动做Flush操作。如果:
用户程序调用库函数从无缓冲的文件中读取
或者从行缓冲的文件中读取,并且这次读操作会引发系统调用从内核读取数据
如果用户程序不想完全依赖于自动的Flush操作,可以调fflush函数手动做Flush操作。
#include <stdio.h>
int fflush(FILE *stream);
返回值:成功返回0,出错返回EOF并设置errno
fflush函数用于确保数据写回了内核,以免进程异常终止时丢失数据,如fflush(stdout); 作为一个特例,调 用fflush(NULL)可以对所有打开文件的I/O缓冲区做Flush操作。