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本篇主题：什么是缓冲区
制作日期：2024.12.11
隶属专栏：linux之旅
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一概念：
对应在内存中预留的一段空间；用来缓冲输入或者输出的数据；也就是对应的输入缓冲区和输出缓冲区。
那么为什么要引入缓冲区：
每一次对文件进行的读写操作都需要执⾏⼀次系统调 ⽤，执⾏⼀次系统调⽤将涉及到CPU状态的切换，即从⽤⼾空间切换到内核空间，实现进程上下⽂的 切换，这将损耗⼀定的CPU时间，频繁的磁盘访问对程序的执⾏效率造成很⼤的影响。
如果加上了缓冲区，那么就减少磁盘的读写次数， 再加上计算机对缓冲区的操作⼤ 快于对磁盘的操作，故应⽤缓冲区可⼤ 提⾼计算机的运⾏速度。
二·缓冲类型：
什么时候刷新：
1.用户强制刷新（fflush后）。
2·满足刷新条件（也就是后面三种缓冲区对应满足的条件）。
3.进程退出。
三种缓冲区类型：
①全缓冲区：当都写满了后；自动刷新到，之后调用系统的IO操作；如磁盘上普通文件的操作。
②行缓冲区：遇到换行符进行刷新；也就是对应的终端操作：显示器输入输出等就是行刷新；默认⾏缓冲区的⼤⼩为1024。
③无缓冲区：标准I/O库不对字符进⾏缓存，直接调⽤系统调⽤，如标准出错流stderr通 常是不带缓冲区的，这使得出错信息能够尽快地显⽰出来。
下面由一张图展示IO库和和系统之间进行文件操作的关系：
三·所谓的FILE：
c语言的一个文件指针类型；其实是一个结构体；它封装了系统调用需要的fd；以及里面还封装了一个自己的缓冲区。
大致结构：
后面我们会模拟实现一个简单的版本。
下面展示一段代码：
第一次执行（直接运行）：
第二次执行：
四·简单实现libc库：
下面我们简单的围绕缓冲区这个概念；利用我们上面所设计的知识简单实现一个模拟c库封装的用户级别的文件操作：
模拟实现相关接口函数：mfopen，mfclose，mfflush，mfwrite。
涉及知识：缓冲区，FILE结构体，语言层封装的系统层IO操作。
采用语言：c语言。
我们所谓的FILE其实就是typedef出来的：
这里可以理解为，每次我们利用语言层封装的fopen打开的一个文件类型不就是FILE*；也就是创造了一个这个类型结构体对象。
下面我们来实现上面所说的函数：
mystio.h:
#pragma once
#define SIZE 1024
#define FLUSH_NONE 0
#define FLUSH_LINE 1
#define FLUSH_FULL 2
struct IO_FILE
{
int fla; //文件访问方式
int fileno; //文件描述符
char outbuffer[SIZE];//缓冲区
int cap;//最大容量
int size;//当前尺寸
int flus;//刷新方式
};
typedef struct IO_FILE mFILE;
struct IO_FILE*mfopen(const char *filename, const char *mode);
int mfwrite(const void *ptr, int num, mFILE *stream);
void mfflush(mFILE *stream);
void mfclose(mFILE *stream);
mystio.c:
#include"mystio.h"
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
mFILE* buyf(int fileno,int flag){
mFILE*f=(mFILE*)malloc(sizeof(mFILE));
if(f == NULL) return NULL;
f->fla=flag;
f->fileno=fileno;
f->flus=FLUSH_LINE;//默认设置成行刷新
f->cap=SIZE;
f->size=0;
memset(f->outbuffer,0,sizeof(f->outbuffer));
return f;
}
mFILE *mfopen(const char *filename,const char *mode){
umask(0);
int fd=-1;
int flag=0;
if(strcmp(mode,"r")==0){
flag = O_RDWR;
fd = open(filename, flag);
}
else if(strcmp(mode,"w")==0){
flag = O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC;
fd = open(filename, flag, 0666);
}
else if(strcmp(mode, "a") == 0)
{
flag = O_CREAT | O_WRONLY | O_APPEND;
fd = open(filename, flag, 0666);
}
else{}
if(fd < 0) return NULL;
return buyf(fd, flag);
}
int mfwrite(const void *ptr, int num, mFILE *stream){
//依靠size每次判断好要写入的位置，要么直接写在后面要么遇到换行符，直接刷新出去
//这里清空操作直接用覆盖来代替（也就是把size改成0）
memcpy(stream->outbuffer+stream->size,ptr,num);
stream->size+=num;
if(stream->size>0&&stream->flus== FLUSH_LINE&&stream->outbuffer[stream->size-1]=='\n' )
{
mfflush(stream);
}
return num;
}
void mfflush(mFILE *stream){
if(stream->size>0){
write(stream->fileno,stream->outbuffer,stream->size);//写入内核缓冲区
fsync(stream->fileno);//把内核缓冲区写入磁盘
stream->size=0;
}
}
void mfclose(mFILE *stream){
if(stream->size>0){//关闭前，先看是否用户级缓冲区有数据，先写入内核缓冲区再清空
mfflush(stream);
stream->size=0;
}
close(stream->fileno);
}
main.c:
#include<stdio.h>
#include"mystio.h"
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
mFILE *fp = mfopen("log.txt", "a");
if(fp == NULL)
{
return 1;
}
int cnt = 5;
while(cnt)
{
printf("write %d\n", cnt);
char buffer[64];
snprintf(buffer, sizeof(buffer),"hello message, number is : %d\n", cnt);
cnt--;
mfwrite(buffer, strlen(buffer), fp);
//mfflush(fp);
sleep(1);
}
mfclose(fp);
free(stream);
}
下面我们来测试一下：
测试一（每次mfwrite写入的时候以\n结尾，也就是让它实现行刷新）：
测试二（每次写入的时候故意不输入\n，而是手动刷新）：
测试三（把手动刷新去掉，让它直接都写入缓冲区；最后等到mfclose关闭后自己检查缓冲区是否存在数据完成刷新）：
今天的缓冲区小知识到此为止；希望对大家的对此认识能更加清晰，万分感谢！！！
在这篇文章的结尾，我满心感激。感谢您愿意耐心地读完我的文字，您的阅读如同阳光照亮了我创作的道路，愿我们在文字的世界里继续相伴前行，共享更多的美好与感动。