檔案IO和标準I/O(緩沖IO)概念講解、以及相關函數使用對比分析

檔案IO和标準I/O(緩沖IO)對比分析

1 檔案I/O

• 檔案I/O：檔案I/O稱之為不帶緩存的IO（unbuffered I/O)。不帶緩存指的是每個read，write都調用核心中的一個系統調用，資料直接在使用者空間緩沖區和核心高速緩沖區之間複制
• read()和write()系統調用在操作磁盤檔案的時候不會直接發起磁盤通路，而是僅僅在使用者空間緩沖區和核心緩沖區高速緩存之間複制資料，複制完畢，系統調用就會結束，然後就是核心自己解決資料在核心緩沖區到磁盤傳遞的問題
  1. 目的：使得I/O調用更加快速
  2. 與檔案發生大量的資料傳輸的時候，盡量采用大的緩沖區資料據，以及執行更少的系統調用，可以大大提升I/O性能
  3. write調用把使用者空間緩沖區的資料複制到核心緩沖區之後，由核心在把資料寫入到磁盤，如果此時其它程序通路該檔案，那麼核心會把核心緩沖區的資料傳遞給該程序
  4. read系統調用從核心緩沖區讀取資料的時候，會把緩沖區的資料讀取大最大，讀完之後，系統會把下一段的資料從磁盤都入到核心高速緩沖區
• 檔案空洞：程式的偏移量跨越了檔案結尾，read調用會傳回0，write确可以在檔案結尾後面的任意位置寫入資料，在檔案結尾這後面的一部分資料空間就叫做檔案空洞，然而檔案空洞不會占用磁盤空間，隻有在檔案空洞中寫入了資料之後，系統才會為之配置設定空間
• open調用中，參數O_CREAT和O_EXCL一般放在一起用，O_EXCL用來判斷檔案是否存在，在建立檔案的時候，如果檔案已經存在，那麼open就會報錯，如果不使用O_EXCL标記，就算檔案存在，open調用建立檔案的時候，open調用也會成功，這就導緻，一個檔案從屬兩個程序，這樣是不對的，兩個檔案可以以一個寫，另外一個讀的方式打開同一個檔案，但是不能同時建立檔案，是以這也是參數O_CREAT和O_EXCL放在一起使用的原因，讓一個檔案以獨占的方式被建立，兩個标志在一起屬于一個原子操作，是不能被打斷的
• fcntl函數，判斷檔案的通路模式的時候，隻讀、隻寫、可讀可寫，三個常量不與檔案标志位的單個bit位對應，要判斷其通路模式，需要把擷取的flag和O_ACCMODE相與的結果在和O_RDWR這類的标記比較

  

• 可以使用fcntl修改的某些檔案的标志位隻有，O_APPEND、O_NONBLOCK、O_NOATIME、O_ASYNV、O_DIRECT，系統忽略其它标記的修改操作
• fcntl尤其适用的場景：
  1. 檔案不是由調用程序打開，比如标準輸入、輸出等
  2. 檔案描述符通過open以外的系統調用打開，比如socket()、pipe()
  3. fcntl使用舉例：

     

2 檔案I/O緩沖(标準I/O)

• 标準I/O是ANSI C建立的一個标準I/O模型，是一個标準函數包和stdio.h頭檔案中的定義，具有一定的可移植性。标準I/O庫處理很多細節。例如緩存配置設定，以優化長度執行I/O等。标準的I/O提供了三種類型的緩存，相當于在檔案I/O上又進行了一些封裝
  1. 全緩存：當填滿标準I/O緩存後才進行實際的I/O操作，例如磁盤塊讀寫
  2. 行緩存：當輸入或輸出中遇到新的換行符時，标準I/O庫執行I/O操作。
  3. 不帶緩存：stderr就是了
• 标準I/O帶緩沖的原因：使用标準I/O，比如fopen，會在調用的時候建立一個标準I/O緩沖區，當達到标準I/O的準則的時候，在把标準I/O緩沖區的資料寫入到核心緩沖區中，是以在使用标準I/O的時候，有使用者空間緩沖區，标準I/O緩沖區，核心資料高速緩沖區這幾個個緩沖區

  /**************************
  函數功能：設定标準I/O的緩沖工作模式
  傳回值：The  function  setvbuf()  returns  0 on success.  It returns nonzero on
         failure (mode is invalid or the request cannot be honored).  It may set
         errno on failure.
  **************************/
  #inclde <stdio.h>
      
  int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);
  /*參數
  stream：指代标準流，stdin、stdout、stderr
  buf：儲存了開辟的标準I/O緩沖區，設定為NULL的話，系統自動在記憶體中開辟一個标準I/O緩沖區
  mode：标準I/O的工作模式
  	1.标準I/O不緩沖
  	2.采用行緩沖
  	3.采用全緩沖	
  size：标準I/O緩沖區大小，如果buf為NULL，size會被忽略
  */
  
  /**************************
  函數功能：強制把标準I/O緩沖區中的内容，重新整理到核心緩沖區中
  傳回值：Upon successful completion 0 is returned.  Otherwise, EOF  is  returned
         and errno is set to indicate the error.
  **************************/
  #include <stdio.h>
  
  int fflush(FILE *stream);
  /*參數：
  stream指代标準流指針
  */
             

3 核心高速緩沖區的控制

• 同步I/O資料完整性：
  1. 對讀操作來說：意味着被請求的檔案資料已經從磁盤傳遞到程序
  2. 對寫操作而言：檔案資料已經傳遞到磁盤，但是某些檔案中繼資料就算被修改了，比如檔案的時間戳，如果沒有寫入磁盤，也滿足資料完整性
• 同步I/O檔案完整性：是同步I/O資料完整性的超集，此時中繼資料也是考慮的因素之一，才能保證同步I/O檔案完整性
• 如果open調用指定了O_SYNC标志，那麼write調用會直接把使用者空間的資料直接重新整理到磁盤中，而不會複制到核心緩沖區，但是盡量不使用這個标志，原因如下圖：

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• 緩沖示意圖：

  

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