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📚一、文件缓冲区
📖1.1 用户级缓冲区
📖1.2 内核缓冲区
📚二、总结
前言：
上篇博客我们谈论了重定向的问题，今天我们来学习了解我们在学习编程语言当中时常遇到的一个问题：缓冲区，但是没人给我们讲清楚，缓冲区是什么？缓冲区在哪？缓冲区是用来做什么的？那今天就让我们一举搞定它！
本章重点：
本篇文章着重讲讲解缓冲区是什么，缓冲区的作用，语言层级缓冲区在哪，它的刷新策略是什么，内核缓冲区在哪，整体的流程是什么！
📚一、文件缓冲区
我们先看一个现象：
int main()
{
//C接口
printf("hello printf!\\n");
fprintf(stdout, "hello fprintf!\\n");
const char* fputsString = "hello fputs\\n";
fputs(fputsString, stdout);
//系统接口
const char* wstring = "hello write\\n";
write(1, wstring, strlen(wstring));
return 0;
}
int main()
{
//C接口
printf("hello printf!\\n");
fprintf(stdout, "hello fprintf!\\n");
const char* fputsString = "hello fputs\\n";
fputs(fputsString, stdout);
//系统接口
const char* wstring = "hello write\\n";
write(1, wstring, strlen(wstring));
fork();
return 0;
}
可以看到增加了fork之后C语言的接口往文件里写了两次，系统调用接口只写了一次，但是直接在显示器上打印的却又都只有一次，让人脑大！这其实就是缓冲区搞的鬼，让我们来一探究竟！
📖1.1 用户级缓冲区
事实上缓冲区的本质就是一段内存空间，那么为什么要有缓冲区？
首先我们来理解下缓冲区是什么，有什么作用：
你在浙江理工大学想要将一本书送给你在厦门大学的好友，你会亲自将书带过去给他然后再回杭州吗？显然不可能你会去楼下的顺丰快递将书籍让顺丰帮你寄到厦门，你就代表一个用户，而书籍就是你要发送给其他用户的数据，顺丰就是这个缓冲区。很明显缓冲区有以下性质:
- 顺丰拿到你的快递立刻发送(立刻刷新)
- 等累计快递达到一定数量统一发送(行刷新)
- 或者当快递站放满了再发送快递(满刷新)
所以我们清楚了，缓冲区就是为了提高效率而存在的，它其实就是一块内存！
并且我们也要清楚缓冲区的刷新策略：
- 立即刷新，无缓冲
- 行刷新，行缓存 —>显示器（给人看的）
- 缓冲区满，全缓冲 —>磁盘文件
- 两种特殊情况
1.用户强制刷新
2.进程退出–一般都要进行缓冲区刷新
那这个缓冲区在哪呢？
首先告知：上述的现象一定和缓冲区有关！
—> 缓冲区一定不在内核中！！因为如果在内核中，write也应该打印两次！
—> 我们之前谈论的所有的缓冲区，都指的是用户级语言层面给我们提供的缓冲区！！
—> 这个缓冲区，在stdout，stdin,stderr->FILE*->FILE结构体->fd&还包括了一个缓冲区！！！
这也就清楚了为什么上面重定向时，即使stdout的文件描述符1已经不指向原有的映射但是我们依然刷新
的是stdout，正是因为stdout的类型是FILE*即C语言封装的FILE里面包含了fd和缓冲区，无论你
文件描述符指向如何变化，但FILE里的内容依然是stdout的，你要想把内容刷新到其它地方，必须要刷新我！
那如何解释上述现象呢？
代码结束之前，进行创建子进程
1.如果我们没有进行〉,看到了4条消息
—> stdout默认使用的是行刷新，在进程fork之前，三条C函数已经将数据进行打印
—> 输出到显示器上（外设），你的FILE内部即缓冲区，进程内部不存在对应的数据了
2.如果我们进行了〉
—> 写入文件不再是显示器，而是普通文件，采用的刷新策略是全缓冲
—> 之前的3条c显示函数，虽然带了\\n，但是不足以将stout缓冲区写满! 数据并没有被刷新！！！
—> 执行fork的时候，stdout属于父进程，创建子进程时，紧接着就是进程退出！
—> 谁先退出，一定要进行缓冲区刷新（就是修改）
—> 也就要发生写时拷贝！！数据最终会显示两份
注：写时拷贝是修改什么就拷贝什么，要不要对整个FILE进行更改取决于整个FILE的内容是否发生改变
3.write为什么没有呢？
—> 上面的过程都和wirte无关，wirte没有FILE
—> 而用的是fd，就没有c提供的缓冲区
📖1.2 内核缓冲区
经过上面的学习你肯定了解了由C语言与系统调用接口打印的现象到用户级缓冲区理解的本质，但是随之而来的就会有一个问题，那它和OS有什么关系呢？整体的链条又是一个什么样的呢？请继续往下看：
所以一句话，就是之前所说的缓冲区是用户级缓冲区，即在操作系统之上存在的，那我们所说的行缓冲、全缓冲等都是C语言所给我们做的，但是操作系统与磁盘之间还存在一个内核缓冲区（这也就是我们在Linux源代码struct_file里面有一个缓冲区这就对的上了），它的缓冲策略完全由操作系统自主决定这个没法证明，只能看到接口，所以有个fsync接口就是让操作系统立马给我们缓冲到磁盘！
整体的框架可以见下：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 用户空间 (User Space) │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 应用程序 (Application) |
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ FILE *fp = fopen("file.txt", "w"); │ │
│ │ fprintf(fp, "Hello World"); │ │
│ │ fclose(fp); │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │
│ C标准库 (libc) │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ struct _IO_FILE (FILE结构体) │ │
│ │ ├─ 用户态缓冲区 (User Buffer) │ │
│ │ ├─ 文件描述符 (fd) │ │
│ │ └─ 操作函数表 (vtable) │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 系统调用接口 (System Call Interface) │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 内核空间 (Kernel Space) │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ 虚拟文件系统 (VFS) │ │
│ │ ├─ struct file (内核文件对象) │ │
│ │ ├─ struct inode (索引节点) │ │
│ │ └─ struct dentry (目录项) │ │
│ │ │ │
│ │ 页缓存 (Page Cache) │ │
│ │ ┌─────────────┬─────────────┬─────────────┐ │ │
│ │ │ 页帧 │ 页帧 │ 页帧 │ │ │
│ │ │ (脏页标记) │ (干净页) │ (脏页标记) │ │ │
│ │ └─────────────┴─────────────┴─────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ 块设备层 (Block Layer) │ │
│ │ ┌─ I/O调度器 (I/O Scheduler) ─┐ │ │
│ │ │ CFQ/Deadline/NOOP │ │ │
│ │ └─────────────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ 设备驱动层 (Device Driver Layer) │ │
│ │ ┌─ 通用块层 (Generic Block Layer) ─┐ │ │
│ │ │ struct bio (块I/O请求) │ │ │
│ │ └──────────────────────────────────┘ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 硬件抽象层 (Hardware Abstraction Layer) │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 物理设备 (Physical Device) │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────┐ │
│ │ SATA/NVMe控制器 │ │
│ │ ┌─ 设备固件 (Firmware) ─┐ │ │
│ │ │ 闪存转换层 (FTL) │ │ │
│ │ └──────────────────────┘ │ │
│ │ │ │
│ │ NAND闪存芯片 │ │
│ │ ┌─────┐ ┌─────┐ ┌─────┐ │ │
│ │ │页 0 │ │页 1 │ │页 2 │ … │ │
│ │ └─────┘ └─────┘ └─────┘ │ │
│ │ ┌─────────┐ │ │
│ │ │坏块表 │ │ │
│ │ └─────────┘ │ │
│ └─────────────────────────────────────────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
📚二、总结
本篇博客我们了解了缓冲区的相关原理
小结一下：
语言层级缓冲区：
- 在哪：在FILE结构体里
- 刷新策略：①立马刷新。②行刷新–显示器。③全刷新–磁盘。特殊情况：①进程退出②主动强制刷新
语言层级缓冲区与OS关系：
- 程序调用 —> FILE（文件描述符和缓冲区） —> struct_file —> 内核缓冲区 —> 磁盘
