标准I/O库的缓冲机制

jopen 11年前

标准I/O库提供缓冲的目的是尽可能减少使用read和write调用的次数。它也对每个I/O流自动地进行缓冲管理，从而避免了应用程序需要考虑这一点所带来的麻烦。

标准I/O提供了三种类型的缓冲：

（1）全缓冲。这种情况下，在填满标准I/O缓冲区后才进行实际的I/O操作。对于驻留在磁盘上的文件通常是由标准I/O库实施全缓冲的。在一个流上执行第一次I/O操作时，相关标准I/O函数通常调用malloc获得需使用的缓冲区。

术语冲洗（flush）说明标准I/O缓冲区的写操作。缓冲区可由标准I/O例程自动冲洗（例如当填满一个缓冲区时），或者可以调用函数fflush冲洗一个流。值得引起注意的是在UNIX环境中，flush有两种意思：在标准I/O库方面，flush（冲洗）意味着将缓冲区中的内容写到磁盘上（该缓冲区可能只是局部填写的）。在终端驱动程序方面，flush（刷清）表示丢弃已存储在缓冲区中的数据。

（2）行缓冲。在这种情况下，当在输入和输出中遇到换行符时，标准I/O库执行I/O操作。这允许我们一次输出一个字符（用标准I/O fputc函数，该函数一次只输出一个字符，没有换行符），但只有在写了一行之后才进行实际I/O操作。当流涉及一个终端时（例如标准输入和标准输出），通常使用行缓冲。

对于行缓冲有两个限制。第一，因为标准I/O库用来收集每一行的缓冲区的长度是固定的，所以只要填满了缓冲区，那么即使还没有写一个换行符，也进行 I/O操作。第二，任何时候只要通过标准I/O库要求从（a）一个不带缓冲的流，或者（b）一个行缓冲的流（它要求从内核得到数据）得到输入数据，那么就 会造成冲洗所有行缓冲输出流。在（b）中带了一个括号中的说明，其理由是，所需的数据可能已在该缓冲区中，它并不要求在需要数据时才从内核读数据。很明 显，从不带缓冲的一个流中进行输入（（a）项）要求当时从内核得到数据。

（3）不带缓冲。标准I/O库不对字符进行缓冲存储。例如，如果用标准I/O函数fputs写15个字符到不带缓冲的流中，则该函数很可能用write系统调用函数将这些字符立即写到相关联的打开文件上。

标准出错流stderr通常是不带缓冲的，这就使得出错信息可以尽快显示出来，而不管它们是否含有一个换行符。

ISO C要求下列缓冲特征：

  • 当且仅当标准输入和标准输出并不涉及交互式设备时，它们才是全缓冲的。
  • 标准出错绝不会是全缓冲的。

但是，这并没有告诉我们如果标准输入和输出涉及交互式设备时，它们是不带缓冲的还是行缓冲的；以及标准出错是不带缓冲的还是行缓冲的。很多系统默认使用下列类型的缓冲：

  • 标准出错是不带缓冲的。
  • 如若是涉及终端设备的其他流，则它们是行缓冲的；否则是全缓冲的。

对任何一个给定的流，如果我们并不喜欢这些系统默认的情况，则可调用下列两个函数中的一个更改缓冲类型：

#include <stdio.h>  void setbuf( FILE *restrict fp, char *restrict buf );  int setvbuf( FILE *restrict fp, char *restrict buf, int mode, size_t size );  返回值：若成功则返回0，若出错则返回非0值

这些函数一定要在流已被打开后调用，而且也应该在对该流执行任何一个其他操作之前调用。

可以使用setbuf函数打开或关闭缓冲机制。为了带缓冲进行I/O，参数buf必须指向一个长度为BUFSIZE的缓冲区（该常量定义在中）。通常在此之后该流就是全缓冲的，但是如果流与一个终端相关，那么某些系统也可将其设置为行缓冲。为了关闭缓冲，将buf设置为NULL。

使用setvbuf，我们可以精确地指定所需的缓冲类型。这是用mode参数实现的：

_IOFBF 全缓冲
_IOLBF 行缓冲
_IONBF 不带缓冲

如果指定一个不带缓冲的流，则忽略buf和size参数。如果指定全缓冲或行缓冲，则buf和size可选择地指定一个缓冲区及其长度。如果该流是 带缓冲的，而buf是NULL，则标准I/O库将自动地为该流分配适当长度的缓冲区。适当长度指的是由常量BUFSIZE所指定的值。

某些C函数库实现使用stat结构中的成员st_blksize所指定的值决定最佳I/O缓冲区长度。GNU C函数库就使用这种方法。

表5-1列出了这两个函数的动作，以及它们的各个选项。

标准I/O库的缓冲机制

要了解，如果在一个函数内分配一个自动变量类的标准I/O缓冲区，则从该函数返回之前，必须关闭该流。另外，有些实现将缓冲区的一部分用于存放它自 己的管理操作信息，所以可以存放在缓冲区中的实际数据字节数少于size。一般而言，应由系统选择缓冲区的长度，并自动分配缓冲区。在这种情况下关闭此流 时，标准I/O库将自动释放缓冲区。

任何时候，我们都可以强制冲洗一个流。

#include <stdio.h>  int fflush( FILE *fp );  返回值：若成功则返回0，若出错则返回EOF

此函数使该流所有未写的数据都被传送至内核。作为一个特例，如若fp是NULL，则此函数将导致所有输出流被冲洗。