什么是缓冲区？？？

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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

一概念：

二·缓冲类型：

三·所谓的FILE：

四·简单实现libc库：

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）：