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前言

上篇我們介紹了，文件的重定向操作以及文件描述符的概念，今天我們再來學習一個和文件相關的知識-----------用戶緩沖區。
在操作系統中，緩沖區是實現高效資源管理的關鍵進制，緩沖區可以幫助用戶、系統暫存讀取及寫入數據，規避了用戶頻繁的I/O操作，可以很好的提高系統的性能和用戶的體驗。

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一、緩沖區

由于我們對緩沖區接觸的比較少，所以在講解這部分知識時，我們會引入大量的代碼示例，后面我們會對這些示例及結果逐一分析。

1.1 示例1

下列函數均向標準輸出打印

    1 #include<stdio.h>2 #include<string.h>3 #include<unistd.h>4 int main()5 {6   char *fstr="hello fwrite\n";7   char *wstr="hello witer\n";8   //c函數9   printf("hello printf\n");10   fprintf(stdout,"hello fprintf\n");11   fwrite(fstr,1,strlen(fstr),stdout);                                                                                           12   //系統調用接口                                                                                                       13   write(1,wstr,strlen(wstr));                                                                                          14   return 0;                                                                                                            15 }   

執行結果1：

將輸出重定向至log1.txt

./myfile >log1.txt

執行結果2：

到現在執行結果都是我們可以接受的，不要著急繼續向下看。

    1 #include<stdio.h>2 #include<string.h>3 #include<unistd.h>4 int main()5 {6   char *fstr="hello fwrite\n";7   char *wstr="hello witer\n";8   //c函數9   printf("hello printf\n");10   fprintf(stdout,"hello fprintf\n");11   fwrite(fstr,1,strlen(fstr),stdout);12   //系統調用接口13   write(1,wstr,strlen(wstr));14   fork();                                                                                                                       15   return 0;                                                 16 }       

我們在文件末尾處創建了一個子進程，重復上面實驗：
執行結果3：

將文件重定向輸入到log2.txt

./myfile >log2.txt

執行結果4：

通過和前三次執行結果對比，我們可以看到向文件log2.txt打印的結果，庫函數打印了兩次，系統調用接口只打印了一次，通過對比結果2和結果4，我們可以知道一定是fork()函數產生的影響，那么為什么fork()沒有對結果3產影響呢？帶著這兩問題我們繼續往下看。

1.2 緩沖區的概念

我們接著來看下面這兩個示例：

    1 #include<stdio.h>                                            2 #include<string.h>                                           3 #include<unistd.h>                                           4 int main()                                                   5 {                                                            6   char *fstr="hello fwrite\n";                               7   char *wstr="hello witer\n";                                8   //c函數                                                    9   printf("hello printf\n");                                  10   fprintf(stdout,"hello fprintf\n");                         11   fwrite(fstr,1,strlen(fstr),stdout);                        12   //系統調用接口13   write(1,wstr,strlen(wstr));                                                                                                   14   //fork();15   close(1);16   return 0;                      17 }

當執行完上面四個調用后我們使用close()函數關閉文件描述符1的文件。

此時并沒有對程序執行結果造成影響，下面我們將\n全部去掉，繼續執行程序。

    1 #include<stdio.h>2 #include<string.h>3 #include<unistd.h>4 int main()5 {6   char *fstr="hello fwrite";7   char *wstr="hello witer";8   //c函數9   printf("hello printf");10   fprintf(stdout,"hello fprintf");                                                                                              11   fwrite(fstr,1,strlen(fstr),stdout);12   //系統調用接口13   write(1,wstr,strlen(wstr));14   //fork();15   close(1);16   return 0;17 }

可以看到此時只有系統調用接口成功將內容打印了出來，這又是怎么回事呢，相信大家早在學習C語言時，就聽說過緩沖區，下面我們就來慢慢的回答上面一系列問題。

結合下面的解釋看這個圖，一定要仔細看，精華全在圖上！！！！！
首先我們要清楚的一點是，printf/fprintf/fwrite全部是封裝的系統調用write。在我們的內核中，進程會擁有對于的task_struct結構體，這個結構體對象包含一個文件結構體指針（上篇我們講了，這里我們認為此時它指向顯示器文件的file對象），通過這個文件對象可以找到內核緩沖區，所以的輸入、輸出，都需要經過這個緩沖區才能到達對應的磁盤中（包含硬件設備），當我們在執行C語言函數時，結果并不會直接打印在屏幕上，而是先存入C語言的緩存區，這一點通過上面的示例也能感受到，當程序執行到合適的時間，就會調用系統接口write，write通過文件描述符找到對應的文件對象，然后才能將c語言緩沖區的內容輸出到內核緩沖區，當數據到達內核緩沖區，符合條件，就會被刷新到顯示器上（磁盤），這個條件我們后面會介紹。

當程序執行系統調用write時，它會根據我們給他提供的文件描述符，找到對應的文件對象，直接將內容輸出到內核緩沖區。有了這些概念，我們來分析上面代碼。

當我們執行的程序執行c函數時，它會先將內容存入C語言的緩沖區，但程序執行系統調用時，他是將內容直接刷新到了系統緩沖區，程序繼續向下執行close(1)顯示器文件被關閉，此時c函數調用系統調用write想要將處在C語言緩沖區的數據輸出道系統緩沖區，但是此時write已經無法找到顯示器結構體對象了，素以無法實現，最后程序結束，系統緩沖區被刷新到顯示器，結果表現為只有系統調用打印成功。到了這里我們算是回答了一個問題，那么為什么打印數據后加\n，就可以輸出成功呢？要回答這個問題我們就要來談一談緩沖區刷新方案了。

二、緩沖區刷新方案

在這里我們只談C語言的緩沖區刷新方案，我們將這種語言及的緩沖區稱為用戶及緩沖區（每個語言都會提供）。
緩沖區刷新方案主要有三種：

• 無緩沖-------直接刷新
• 行緩沖--------不刷新，直到碰見\n（一般為向顯示器打印時采用）
• 全緩沖----------緩沖區滿了，才刷新（一般為向文件打印時采用）

此外當程序執行結束后也會進行刷新。

現在我們可以來回答為什么，這里不受文件關閉的影響了。

當程序執行C函數時，會先將數據存入用戶及緩沖區，但用戶及緩沖區判斷數據存在\n就會立即調用write將數據刷新到系統的緩沖區（此時文件還沒有關閉）。

下面我們來回答這個問題

為什么我們對程序進行重載后，C函數的結果打印了兩次。

當執行這個程序時，我們對他它重定向到文件，此時緩沖區刷新方案由之前的行緩沖變為全緩沖，所以c函數的執行結果會被存儲在用戶級緩沖區，而write的執行結果則會直接存入系統緩沖區，此時創建子進程，程序結束時，父進程要調用write將用戶級緩沖區數據刷新到系統緩沖區上（這個行為會將用戶及緩沖區數據清空），觸發寫時拷貝，子進程結束后也會將數據刷新，這時就有兩份數據打印到了文件中。

不知道大家有沒有注意到，我們上面例子的結果打印順序，也出現了變化，剛剛的這個邏輯同樣能解釋這個問題，到了這里我們算是將問題都解決了

三、緩沖區的作用及存儲

提高用戶效率

在我們調用C函數向顯示器或文件寫入數據時，若沒有緩沖區存在，其底層就會不斷的去調用write函數，執行效率較低。

配合格式化

我們學習的printf/fprintf等函數，都是格式化輸出函數（如使用%d格式化數據）但是在操作系統中并沒有整形、浮點型等概念，在向顯示器或文件打印時統一被作為字符輸出，所以用戶級緩沖區的作用就是將數據格式化處理后，再交有系統接口。

用戶級緩沖區存儲位置

用戶緩沖區實際是被定義再FILE結構體中的。