C 语言与缓冲区

有关缓冲区的概念和 C 语言中相关的内容...

在了解二者联系之前，先要明白缓冲区的概念。

缓冲区

所谓缓冲区（Buffer），就是指暂时存放输入或输出内容的一个内存空间，并且这个空间的大小是一定的。
那为什么要设置缓冲区呢？
目的是为了将高速读写设备与低速读写设备同步起来。举个简单的例子，打印机的打印速度比较慢，而电脑操作指令的响应速度比较块，但在打印机打印的同时，可以操作电脑不断把要打印的内容发送到打印机（电脑操作不用等待），对应打印机就会依次执行打印任务。

另外，需要注意区分缓冲区（Buffer）和缓存（Cache）的概念，这里不做深究。

C

在 C 语言中也有用到缓冲区这个“设计模式”，之所以称之为设计模式，一是笔者不确定其他语言是否也是如此（只能确定大部分语言是如此）；二是就笔者的个人理解，将缓冲区称呼为一种（计算机领域的）设计模式更恰当，因为不止程序语言的设计如此，部分硬件的设计也是有这个模式的存在。
不过，这里不深究其他的内容，只专注 C 语言中与缓冲区相关的内容。

C 语言中存在三种缓冲模式：全缓冲（fully buffered）、行缓冲（line buffered）和无缓冲（unbuffered）。
在探讨各种缓冲模式之前，先得明确一下 C 语言中流的概念，可以参考一下百度百科——流。实际上，可以把 C 语言中通过fopen函数打开文件得到的文件指针看作流的入口，当通过这个文件指针向文件读写数据时，这些数据就是流，这个过程就是“流动”。
对应的，C 语言中提供了三个标准流：标准输入流（stdin）、标准输出流（stdout）和标准错误流（stderr），其中stdin和stdout一般是行缓冲，stderr一般是无缓冲的（为的是能第一时间输出错误信息）。
写到这里，会有一个疑问，使用fopen函数打开的文件流，默认的缓冲模式是什么呢？一般是行缓冲，可能是全缓冲，这取决于编译器具体的实现，但可以通过setvbuf函数来修改流的缓冲模式。

好了，其他的问题暂时不谈了，下面来探究一下各种缓冲模式。
PS：以下测试均在 Ubuntu 16.04 环境下进行。

全缓冲

全缓冲就是在缓冲区填满了之后，才执行 I/O 操作。测试代码：

test1

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define FILEPATH "./tmp"
const char *string = "ABCDEFG";

int main() {
    char buff[1024];
    
    FILE *fp = NULL;
    fp = fopen(FILEPATH, "w+");
    if(fp == NULL) {
        perror("fopen() error!\n");
    }
    int ret = 0;
    ret = setvbuf(fp, buff, _IOFBF, 1024);
    if(ret != 0) {
        perror("setvbuf error!\n");
    }
    fprintf(fp, "%s", string);
    while(1){
        
    }
    return 0;
}

在上面的代码中，首先使用fopen函数在w+（读，若文件不存在则创建）的模式下打开文件，接着使用setvbuf函数设置缓冲模式为_IOFBF（全缓冲）。运行程序，在另一个终端中可以确认tmp文件已创建，然后键入

$ cat tmp

显示文件无内容。

行缓冲

行缓冲就是在遇到换行符（\n）时，执行 I/O 操作，典型代表就是标准输入的scanf函数，每次输入完数据和回车后，才能看到效果。测试代码：

test2

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define FILEPATH "./tmp"
const char *string = "ABCDEFG\n";

int main() {
    char buff[1024];
    FILE *fp = NULL;
    fp = fopen(FILEPATH, "w+");
    if(fp == NULL) {
        perror("fopen() error!\n");
    }
    int ret = 0;
    ret = setvbuf(fp, buff, _IOLBF, 1024);
    if(ret != 0) {
        perror("setvbuf error!\n");
    }
    fprintf(fp, "%s", string);
    while(1){
        
    }
    return 0;
}

相比 test1，上面的代码有两个改动：

1. const char *string = "ABCDEFG\n";，加入\n后，程序才会进行 I/O 操作
2. ret = setvbuf(fp, buff, _IOLBF, 1024);，修改为行缓冲模式

同样的思路，运行程序，在另一个终端中可以确认tmp文件已创建，然后键入

$ cat tmp

显示：

ABCDEFG

无缓冲

无缓冲就是不进行缓冲，直接执行 I/O 操作。测试代码：

test3

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define FILEPATH "./tmp"
const char *string = "ABCDEFG";

int main() {
    char buff[1024];
    FILE *fp = NULL;
    fp = fopen(FILEPATH, "w+");
    if(fp == NULL) {
        perror("fopen() error!\n");
    }
    int ret = 0;
    ret = setvbuf(fp, buff, _IONBF, 1024);
    if(ret != 0) {
        perror("setvbuf error!\n");
    }
    fprintf(fp, "%s", string);
    while(1){
        
    }
    return 0;
}

相比 test2，上面的代码有两个改动：

1. const char *string = "ABCDEFG;，与 test1 保持一致
2. ret = setvbuf(fp, buff, _IONBF, 1024);，修改为无缓冲模式

同样的思路，运行程序，在另一个终端中可以确认tmp文件已创建，然后键入

$ cat tmp

显示：

ABCDEFG(account)$xxx

上面的(account)$xxx是终端显示的用户名，因为没有\n，所以会与终端的用户名显示在一行。

如何刷新缓冲区

明确各种缓冲模式的特点后，也要明白如何刷新缓冲区。
其实上面已经提到一种刷新缓冲区的方法了，在行缓冲模式下，只需要在向流输入一个\n，就会刷新缓冲区。
而 C 标准库也提供了fflush函数用来刷新缓冲区。
使用 test1 中的代码：

test4

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define FILEPATH "./tmp"
const char *string = "ABCDEFG";

int main() {
    char buff[1024];
    
    FILE *fp = NULL;
    fp = fopen(FILEPATH, "w+");
    if(fp == NULL) {
        perror("fopen() error!\n");
    }
    int ret = 0;
    ret = setvbuf(fp, buff, _IOFBF, 1024);
    if(ret != 0) {
        perror("setvbuf error!\n");
    }
    fprintf(fp, "%s", string);
    fflush(fp);
    while(1){
        
    }
    return 0;
}

相比 test1，上面的代码有个改动：

1. fflush(fp);，手动刷新缓冲区

同样的思路，运行程序，在另一个终端中可以确认tmp文件已创建，然后键入

$ cat tmp

显示：

ABCDEFG(account)$xxx

显示结果与 test3 一致。

调用fflush函数后就会刷新缓冲区，任何一种缓冲模式下，都可以使用该函数来刷新缓冲区。

结语

C 语言中有关缓冲区的知识暂时就记录到这里了，如前所说，“缓冲”更多是一种思想，从这个角度去理解，应该能收获更多东西。

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