Linux之文件--缓冲区和c封装-育师

缓冲区在哪里

read：操作系统把内核缓冲区的数据，拷贝到你传入的用户内存buf；如果内核缓冲区没有需要的数据 → OS 发起硬件请求，从磁盘加载数据进入内核缓冲区，再拷贝给应用。
write：把应用buf的数据，拷贝进内核缓冲区，函数返回；后续内核再异步写到磁盘。

操作表 = 一组函数指针数组（跳转表）存储这个文件 / 硬件对应的：read、write、open、close、llseek等底层实现地址。

//内核伪代码 struct file_operations { //读写偏移 loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); //对应系统调用 read() ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); //对应系统调用 write() ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); //打开文件 int (*open) (struct inode *, struct file *); //关闭文件 int (*release) (struct inode *, struct file *); //还有 ioctl、poll、mmap…… };

用户层永远只调用统一 API：read(fd)/write(fd)，不需要区分底层是磁盘文件、键盘、显示器、网卡、串口。内核收到系统调用后：

根据 fd 找到struct file
取出里面的f_op（操作表）
调用操作表里对应的函数指针

缓冲区在内核空间

内核缓冲区

图中间区域：内核缓冲区、磁盘、read()/write()系统调用、struct file

归属：内核空间，操作系统维护，所有进程共享内核缓存资源
接口：系统调用read(int fd, buf, size) / write()
数据流向：
write 流程：应用 → 用户缓冲区 → write 系统调用 → 内核缓冲区 →（延迟刷新）磁盘
read 流程：磁盘 → 内核缓冲区 → read 系统调用拷贝 → 用户缓冲区 → 应用程序变量

重点：调用write()绝不直接写磁盘！write 只是把数据拷贝到内核缓冲区，操作系统会在合适时机（内核线程 pdflush）把缓冲区数据刷入磁盘；这种机制叫延迟写。

为什么要有缓冲区

系统调用是有成本的,我们要减少系统调用的次数

new malloc底层都是会调用系统调用,但是你在申请的时候给你的是虚拟地址空间,当你真正开始用的时候在区物理内存里面给你申请

比如在stl里面vector需要扩容的时候,一般采用2倍,这样也有利于减少系统调用的次数

为了减少系统调用,c,c++就登场了

用户级缓冲区

归属：用户空间，由 C 标准库（libc）维护
接口：fopen/fgets/fputs/fprintf/fread/fwrite这些标准 IO 函数
意义：减少系统调用次数系统调用（read/write）会发生用户态 ↔ 内核态切换，开销大。程序不会调用一次write写 1 个字节；而是先把数据攒在用户缓冲区，缓冲区满 / 主动刷新时，才调用一次write系统调用进入内核。

两条数据流路线

路线 A：标准库 IO（带用户缓冲区 fputs/fprintf）

应用内存变量 →FILE 用户缓冲区→ 缓冲区刷新 →write()系统调用 →内核缓冲区→ 操作系统异步刷入磁盘

路线 B：原生系统调用（无用户缓冲区 read/write）

应用内存 buffer → 直接通过read/write在内核缓冲区、程序内存之间拷贝

接下来我们看下面三个现象

eg1

Linux 规则：最小可用文件描述符分配进程启动默认：fd0 (标准输入)、fd1 (标准输出 stdout)、fd2 (标准错误 stderr)

close(1)：释放 fd=1
随后open()打开文件，优先拿到最小空闲 fd，也就是 1最终：fd 1 指向 log.txtprintf底层往stdout（fd=1）输出，所以内容本该写入 log.txt。

说明

printf：数据放入 stdout 缓冲区，尚未 write
close(fd)→关闭文件描述符 fd=1
缓冲区数据还躺在内存里，但是通往文件的 fd 已经被关掉！
等到程序退出，库函数尝试刷新缓冲区、调用 write (fd=1) → fd=1 已经关闭，系统调用失败，缓冲区数据直接丢失
文件没有写入任何内容，log.txt为空文件

当我们为他添加fflush,时又重新把hello world写入log.txt文件

eg2

运行效果：等待 1 秒后输出hello

运行效果：等待 1 秒，无任何输出

printf("hello")不带换行符\n；程序输出到终端，stdout 是行缓冲模式。行缓冲规则：只有遇到\n、主动fflush、进程正常库层退出，才刷新缓冲区；单纯字符串无换行，数据停留在C 库用户缓冲区，不会调用 write 系统调用。

exit会刷新语言级缓冲,二_exit则不会,导致缓冲区内容丢失

eg3

标准 IO 库函数（C 库，带用户缓冲区）printf / fprintf(stdout) / fputs数据先存入进程用户态 stdio 缓冲区，不一定立刻调用write系统调用。
系统调用（无用户缓冲区）write(fd,buf,len)直接发起内核调用，数据直达内核缓冲区，不存在用户缓冲区滞留。

前置缓冲规则

输出到终端（交互式 shell）：stdout =行缓冲，遇见\n自动刷新缓冲区；
输出到普通文件（重定向 > aaaa）：stdout =全缓冲，\n不会触发刷新，数据停留在用户缓冲区

解释现象

1../buffer.exe直接终端运行（行缓冲）每条标准 IO 带\n，触发缓冲区刷新，依次打印 4 行，无重复。

2../buffer.exe > aaaa重定向到文件（全缓冲）\n不再刷新；程序退出时exit()统一刷新缓冲区。顺序：write 直接输出；随后程序退出一次性输出缓冲区内 3 条标准 IO 内容。

解释现象

fork

fork()创建子进程时，采用写时复制（COW），父进程整个用户地址空间完整复制一份给子进程。stdio 缓冲区位于用户地址空间，会被一并拷贝！
分支 1：终端运行（行缓冲）标准 IO 函数内部\n触发刷新，fork 执行前缓冲区已经清空。 fork 时父子进程缓冲区都是空的，后续没有重复输出。
分支 2：重定向文件（全缓冲）\n不会刷新缓冲区！执行fork()那一刻：父进程的 stdout 缓冲区还存放着：hello printf\nhello printf\nhello fprintf\nhello fputs\nfork 复制地址空间 →子进程拿到一份一模一样的缓冲区副本。