【Linux基础IO】深入解析Linux基础IO缓冲区机制:提升文件操作效率的关键

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❀Linux基础IO


前言:在Linux操作系统的广阔世界里,IO(输入/输出)操作是系统与外部设备(如硬盘、网络等)进行数据交换的基石。然而,直接而频繁地进行IO操作往往会成为系统性能的瓶颈,因为物理设备的访问速度远不及内存的处理速度。为了缓解这一矛盾,Linux引入了一系列高效的IO缓冲机制,通过在用户空间和内核空间之间设置缓冲区,以减少对物理设备的直接访问,从而提高数据处理的效率和系统的整体性能

学习Linux基础IO缓冲区,不仅是深入理解Linux操作系统内部工作原理的必经之路,也是优化系统性能、提升应用响应速度的关键技术之一。通过掌握IO缓冲区的概念、原理、管理机制以及优化策略,我们可以更好地理解和控制Linux系统的IO行为,从而在面对大数据量处理、高并发访问等挑战时,能够游刃有余地应对

让我们一同探索Linux IO缓冲区的奥秘,开启一段充满挑战与收获的学习之旅吧!


📒1. 什么是缓冲区

缓冲区(Buffer)在计算机科学中是一个重要的概念,它指的是一块用于临时存储数据的内存区域。缓冲区的主要目的是减少数据在传输或处理过程中的延迟,提高数据处理的效率,以及保护原始数据不被直接修改或破坏

验证缓冲区的存在:

c 复制代码
printf("hello Linux");
sleep(1);

如果我们让这段伪代码运行,它不会立刻打印,而是等到程序结束时才会输出内容


关于缓冲区我们可以借用下图来理解

如果我们想将东西送给在异地的朋友时,我们不太可能亲自交到他的手上,我们可以通过菜鸟驿站将东西给他,当我们将快递交给快递站的时候,我们就认为将物品送出去了,但是在远方的朋友不会立刻受到快递,并且快递站也不会只单独送你这一个快递,它会等快递到达一定数量才会开始派送,这样会提高快递站的效率,这就和我们的缓冲区差不太多,所以缓冲区不会立刻刷新,它会等缓冲区内容到达一定数量,才会刷新缓冲区
缓冲区的主要作用:提高使用者的效率

  • 因为有缓冲区的存在,我们可以累计一部分在统一发送
  • 通过批量处理数据,缓冲区可以减少CPU中断的次数,从而提高系统性能
    在文件I/O操作中,操作系统可以将多个小的读写请求合并成较大的请求,以减少磁盘访问次数

📙2. stdio缓冲区机制

stdio缓冲区机制是C语言标准输入输出库(stdio.h)提供的一种用于提高数据读写效率的机制。缓冲区是一段内存区域,用于临时存储输入输出数据,以减少对磁盘或终端的直接读写次数,从而提高程序性能。stdio库中的函数,如printf、scanf、fread、fwrite等,都使用了缓冲区机制


🌞全缓冲、行缓冲与无缓冲

全缓冲:

  • 在全缓冲模式下,当缓冲区被填满时,才会进行实际的I/O操作
  • 默认情况下,对磁盘文件的读写操作采用全缓冲模式
  • 缓冲区的大小通常是固定的,如4096字节(但可以通过setvbuf函数调整)

行缓冲:

  • 在行缓冲模式下,当遇到换行符(\n)时,会执行I/O操作
  • 当流涉及终端(如标准输出stdout和标准输入stdin)时,通常使用行缓冲模式
  • 这使得输出能够按行显示,而不是等到缓冲区满时才显示

无缓冲:

  • 在无缓冲模式下,不对字符进行缓冲存储,即每次I/O操作都直接进行
  • 标准错误流(stderr)通常是无缓冲的,以确保错误信息能够立即显示

⭐缓冲区刷新策略

缓冲区刷新是指将缓冲区中的数据写入到目标设备(如磁盘或终端)的过程。stdio库提供了多种缓冲区刷新策略,以确保数据的及时性和完整性

以上讲的内容都是缓冲区的一般刷新策略

特殊情况:

  • 强制刷新
  • 当进程退出时,通常会隐式地刷新所有未刷新的缓冲区

📚3. 典型函数与缓冲区操作

在C语言中,stdio库中的典型函数与缓冲区操作密切相关。缓冲区是内存中的一块区域,用于临时存储输入输出数据,以提高程序性能


我们来看一段代码:

c 复制代码
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

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

    const char *msg = "system call: hello write\n";

    write(1, msg, strlen(msg));
                                                                                                                                                                                             
    return 0;
}

毋庸置疑,程序正常输出,我们来修改一下代码,看看会出现什么现象


我们在代码中加入 fork()

c 复制代码
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

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

    const char *msg = "system call: hello write\n";

    write(1, msg, strlen(msg));
    
    fork();                                                                                                                                                                                
    return 0;
}

让我们分析一下为什么只有一行代码的差距,却有两种不同的结果


代码分析

  • 我们直接向显示器打印时,显示器的刷新方式是行刷新,我们在输出的字符串中都有'\n',我们在fork之前,所有数据均被刷新,包括system call
  • 重定向到log.txt,本质是往磁盘中写入数据,这时我们的刷新方式是全缓冲
  • 全缓冲就意味着,我们必须将缓冲区写满才会刷新,但是我们做不到,此时,数据依然存在于缓冲区
  • 目前我们谈论的缓冲区,只与C语言相关
  • C/C++提供的缓冲区,保存的一定是用户数据,属于进程在运行自己的数据,但是我们把数据交给OS时,数据就不再属于我们,而是属于OS
  • 当进程退出时,一般会刷新缓冲区,而刷新缓冲区属于"清空","写入"操作,fork后,任意一个进程退出,都会刷新缓冲区,这时就会发生写时拷贝
  • write属于系统调用,没有使用C语言缓冲区,直接将数据写入操作系统

📜4. 用户缓冲区和内核缓冲区

用户缓冲区和内核缓冲区是计算机系统中两个重要的概念,它们各自承担着不同的角色和功能,共同协作以提高系统的I/O性能和效率



📝5. FILE

在C语言中,FILE 是一个用于文件操作的结构体类型,它定义在 <stdio.h> 头文件中。FILE 结构体包含了文件操作的所有必要信息,比如文件的状态标志、当前的读写位置、缓冲区的地址等

我们在打开,关闭,读写文件时,都有一个FILE *的指针,所以我们进行输入,输出时,都需要FILE,FILE是一个结构体,里面包含了fd,FILE也会提供独立一个缓冲区,我们来验证一下

直接查看文件:

c 复制代码
vim /usr/include/libio.h +246

🌸实现C标准库函数

这里也是简单实现了部分C标准库函数,感兴趣的朋友可以去看看
部分C标准库函数的模拟实现


📖6. 总结

在探索Linux基础IO缓冲区的旅程即将结束之际,我们不禁为这一强大而精细的机制所折服。IO缓冲区作为操作系统与用户程序之间数据传输的桥梁,不仅极大地提升了数据处理的效率,还巧妙地平衡了系统资源的使用与响应速度

通过本文的探讨,我们深入理解了Linux中IO缓冲区的核心概念、工作原理以及不同类型的缓冲区(如标准IO库缓冲、内核缓冲区等)之间的区别与联系。我们认识到,合理利用和配置缓冲区,对于优化程序性能、减少系统开销具有重要意义

在Linux的世界里,每一次对未知的探索,都是一次自我超越的旅程。愿我们都能在这条路上,越走越远,越走越宽。


希望本文能够为你提供有益的参考和启示,让我们一起在编程的道路上不断前行!
谢谢大家支持本篇到这里就结束了,祝大家天天开心!

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