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Linux——缓冲区与FILE*的原理简单实现

我们最近在学习Linux的文件描述符分配规则时，接触到了缓冲区这一概念。今天，我们将深入探讨这一关键机制的工作原理以及如何实现一个简单的FILE*接口。

缓冲区的概念

缓冲区是操作系统用于临时存储数据的内存区域。它的主要目的是解决I/O操作效率低下的问题。想象一下，系统面对大量向文件输入输出的操作，如果每次都直接将数据送往文件，操作系统的负载会变得极大。而设置一个缓冲区，等到数据积累到一定量后才一次性将其传输到文件中，这样可以显著提升系统性能。

其实，缓冲区的核心作用就是提高效率。通过减少直接操作I/O的频率，缓冲区帮助系统避免了过多的I/O操作，对整体性能产生了积极影响。

##缓冲区的刷新机制

缓冲区的刷新方式主要有三种：

除此之外，还有一些特殊情况会触发缓冲区刷新：

一个奇怪的现象

让我带你看一个有趣的现象：

// C语言接口fprintf(stdout,"C->fprintf:hello My Love\n");printf("%s","C->printf:hello My Love\n");const char* s = "C->fputs:hello My Love\n";fputs(s,stdout);const char* s1 = "system call:hello My Love\n";write(1,s1,strlen(s1));fork(); // 创建子进程

当我们将输出重定向到log.txt时，发现C语言接口的输出被重复了两次，而系统调用的输出只被打印了一次。这是为什么呢？

这背后隐藏着一个重要的概念：C语言为我们提供了一个用户缓冲区。通常情况下，缓冲区的刷新方式是基于我们提供的这个缓冲区（用户缓冲区）来进行的。

用户级缓冲区与内核缓冲区

在探讨缓冲区时，用户级和内核级缓冲区是两个需要区分的概念。

实现简易版本的FILE*

基于上述机制，我们可以尝试实现一个简单的FILE接口。FILE是C语言中用于表示文件或其他I/O设备的指针，通过它可以进行读写操作。

#include 
   
    #include 
    
     #include 
     
      #include 
      
       #include 
       
        int mainOrDefault(int argc, char **argv) {    int fd;    struct Winsize ws;    // 打开指定的设备文件    if (argc >= 2) {        fd = open(*argv, O_RDWR | O_NDLCK);        if (-1) {            fprintf(stderr, "Could not open device %s\n", *argv);            return -1;        }    } else {        fd = 1; // 标准输出    }    // 获取终端窗口大小    ws.size = sizeof(Winsize);    ioctl(fd, TIOGWINSZ, &ws);    while(1) {        sleep(1);        printf("Written: %d bytes\n", ws.write_pointer);    }    return 0;}
       
      
     
    
   

在本例中：

通过这个过程，我们可以直观地看到用户缓冲区在I/O操作中的重要作用。