不带缓冲的I/O函数与标准I/O函数区别

系统调用：只操作系统提供给用户程序调用的一组接口-------获得内核提供的服务。

不带缓存的I/O:       read,write,open......
标准(带缓存的)I/O: fgets,fread,fwrite.....

这里使用两个对应的函数进行比较：
ssize_t write(int filedes, const void *buff, size_t nbytes)
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *fp)

上面的buff和ptr都是指应用程序自己使用的buffer，实际上当需要对文件进行写操作时，都会先写到内核所设的缓冲存储器。如果该缓存未满，则并不将其排入输出队列，直到缓存写满或者内核再次需要重新使用此缓存时才将其排入磁盘I/O输入队列，再进行实际的I/O操作，也就是此时才把数据真正写到磁盘，这种技术叫延迟写。

如果我们直接用非缓存I/O对内核的缓冲区进行读写，会产生许多管理不善而造成的麻烦（如一次性写入过多，或多次系统调用导致的效率低下）。

标准(带缓存的)I/O为我们解决了这些问题，它处理很多细节，如缓冲区分配，以优化长度执行I/O等，更便于我们使用。

由于标准(带缓存的)I/O在系统调用的上一层多加了一个缓冲区，也因此引入了流的概念，在UNIX/Linux下表示为FILE*（并不限于UNIX/Linux，ANSI C都有FILE的概念），FILE实际上包含了为管理流所需要的所有信息：实际I/O的文件描述符，指向流缓存的指针（标准I/O缓存，由malloc分配，又称为用户态进程空间的缓存，区别于内核所设的缓存），缓存长度，当前在缓存中的字节数，出错标志等

在实际中程序员使用的通常不是系统调用，而是用户编程接口API，也称为系统调用编程接口。它是遵循Posix标准（Portable operation system interface），API函数可能要一个或者几个系统调用才能完成函数功能，此函数通过c库（libc）实现，如read，open。

 

fsync：是把内核缓冲刷到磁盘上。

fflush:是把C库中的缓冲调用write函数写到磁盘[其实是写到内核的缓冲区]。

 

linux对IO文件的操作分为：

不带缓存：open  read。posix标准，在用户空间没有缓冲，在内核空间还是进行了缓存的。数据-----内核缓存区----磁盘

 假设内核缓存区长度为100字节，你调用ssize_t write (int fd,const void * buf,size_t count);写操作时，设每次写入count=10字节，那么你要调用10次这个函数才能把这个缓存区写满，没写满时数据还是在内核缓冲区中，并没有写入到磁盘中，内核缓存区满了之后或者执行了fsync（强制写入硬盘）之后，才进行实际的IO操作，吧数据写入磁盘上。

带缓存区：fopen fwrite fget 等，是c标准库中定义的。数据-----流缓存区-----内核缓存区----磁盘。

 假设流缓存区长度为50字节，内核缓存区100字节，我们用标准c库函数fwrite()将数据写入到这个流缓存中，每次写10字节，需要写5次流缓存区满后调用write()(或调用fflush())，将数据写到内核缓存区，直到内核缓存区满了之后或者执行了fsync（强制写入硬盘）之后，才进行实际的IO操作，吧数据写入磁盘上。标准IO操作fwrite()最后还是要掉用无缓存IO操作write。

 

以fgetc / fputc 为例,当用户程序第一次调用fgetc 读一个字节时,fgetc 函数可能通过系统调用 进入内核读1K字节到I/O缓冲区中,然后返回I/O缓冲区中的第一个字节给用户,把读写位置指 向I/O缓冲区中的第二个字符,以后用户再调fgetc ,就直接从I/O缓冲区中读取,而不需要进内核 了,当用户把这1K字节都读完之后,再次调用fgetc 时,fgetc 函数会再次进入内核读1K字节 到I/O缓冲区中。在这个场景中用户程序、C标准库和内核之间的关系就像在“Memory Hierarchy”中 CPU、Cache和内存之间的关系一样,C标准库之所以会从内核预读一些数据放 在I/O缓冲区中,是希望用户程序随后要用到这些数据,C标准库的I/O缓冲区也在用户空间,直接 从用户空间读取数据比进内核读数据要快得多。另一方面,用户程序调用fputc 通常只是写到I/O缓 冲区中,这样fputc 函数可以很快地返回,如果I/O缓冲区写满了,fputc 就通过系统调用把I/O缓冲 区中的数据传给内核,内核最终把数据写回磁盘或设备。有时候用户程序希望把I/O缓冲区中的数据立刻 传给内核,让内核写回设备或磁盘,这称为Flush操作,对应的库函数是fflush,fclose函数在关闭文件 之前也会做Flush操作。

 

 

C标准库的I/O缓冲区有三种类型:全缓冲、行缓冲和无缓冲。当用户程序调用库函数做写操作时, 不同类型的缓冲区具有不同特性。

   全缓冲

如果缓冲区写满了就写回内核。常规文件通常是全缓冲的。

  行缓冲

如果用户程序写的数据中有换行符就把这一行写回内核,或者如果缓冲区写满了就写回内 核。标准输入和标准输出对应终端设备时通常是行缓冲的。

    无缓冲

用户程序每次调库函数做写操作都要通过系统调用写回内核。标准错误输出通常是无缓冲的,这样用户程序产生的错误信息可以尽快输出到设备。

 除了写满缓冲区、写入换行符之外,行缓冲还有两种情况会自动做Flush操作。如果: 
用户程序调用库函数从无缓冲的文件中读取 
或者从行缓冲的文件中读取,并且这次读操作会引发系统调用从内核读取数据

 

虽然write 系统调用位于C标准库I/O缓冲区的底 层,被称为Unbuffered I/O函数,但在write 的底层也可以分配一个内核I/O缓冲区,所以write 也不一定是直接写到文件的,也 可能写到内核I/O缓冲区中,可以使用fsync函数同步至磁盘文件，至于究竟写到了文件中还是内核缓冲区中对于进程来说是没有差别 的,如果进程A和进程B打开同一文件,进程A写到内核I/O缓冲区中的数据从进程B也能读到,因为内核空间是进程共享的, 而c标准库的I/O缓冲区则不具有这一特性,因为进程的用户空间是完全独立的