【Linux】文件缓冲区|理解文件系统

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预备知识

观察现象

第一：携带\n，不使用fork()，打印到显示器

第二：携带\n，使用fork()，打印到显示器

第三：携带\n，使用fork()，打印到文件里

第四：不携带\n，使用fork()，打印到显示器

解释现象

   携带\n，不使用fork()，打印到显示器 -- 解释

携带\n,使用fork(),打印到显示器 -- 解释

携带\n,使用fork(),打印到文件中 -- 解释

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预备知识

有三种缓冲方式：全缓冲、行缓冲和无缓冲。

全缓冲（Fully Buffered）：数据写入到缓冲区中，当缓冲区被填满或者达到一定条件时，才会刷新缓冲区。当内容写入到文件中时，也使用无缓冲。

行缓冲（Line Buffered）：每当遇到换行符的时候，缓冲区就会刷新，将内容写入到文件中。

无缓冲（Unbuffered）：数据直接刷新，写多少刷新多少。

观察现象

第一：携带\n，不使用fork()，打印到显示器

第二：携带\n，使用fork()，打印到显示器

第三：携带\n，使用fork()，打印到文件里

第四：不携带\n，使用fork()，打印到显示器

解释现象

如上图所示，C语言自己为自己提供了一个缓冲区，这个是用户级缓冲区。

操作系统在内核中也提供了一个缓冲区，这个是系统缓冲区。

为什么C语言要自己提供一个缓冲区，直接用系统的不就好了吗？

因为直接每次都进行实际的I/O操作（如磁盘读写、网络传输）可能会导致性能下降，因此引入缓冲区可以减少实际I/O操作的次数，提高程序的执行效率。

具体来说：

1. 性能优化：使用缓冲区可以减少系统调用的次数，避免频繁的I/O操作，从而提高程序的性能和效率。将数据暂时存储在缓冲区中，一次性地进行输出，比多次逐个字符地输出要更快。

2. 灵活性：C语言为程序员提供了对缓冲区的控制权，可以手动刷新缓冲区、设置缓冲区大小等，使得程序在不同场景下能够灵活地进行优化。

3. 错误处理：使用缓冲区可以使得程序更容易进行错误处理。在数据写入缓冲区时，程序可以检查写入是否成功、缓冲区是否溢出等，从而更好地处理可能出现的错误情况。 

   携带\n，不使用fork()，打印到显示器 -- 解释

当我们使用C语言的接口时，例如：printf/fprintf/fwrite等函数时，写入的内容会暂时放入到用户级缓冲区中。

正如之前所说，打印到显示器中时使用的是行缓冲，如果遇到\n，就会立即刷新。

所以在“携带\n,不使用fork()，打印到显示器”中时，才会C语言调用接口和系统调用接口都只打印一次。因为是行缓冲，每句语句到最后都直接刷新打印了，不会有延时。

携带\n,使用fork(),打印到显示器 -- 解释

在“携带\n,使用fork(),打印到显示器”中时，C语言的接口打印一次，系统调用接口也打印一次。因为携带了\n,是行缓冲，任何一个语句写入到缓冲区，因为最后携带了\n,所以在下一个语句到缓冲区的时候，前面的会被刷新出去。所以在最后fork()的时候，子进程拷贝了父进程的数据和代码，但是父进程的缓冲区是空的，所以子进程的缓冲区也是空的，所以只打印一次。write()函数是系统调用，直接放入到系统的缓冲区，所以不受影响。

具体情况如下所示：

重定向：刷新方式发生更改，

数据写入时，由刷新改为暂存

携带\n,使用fork(),打印到文件中 -- 解释

在“携带\n，用fork(),打印到文件中”时，C式接口打印两次，系统调用接口打印一次。因为打印到文件中时，缓冲方式由行缓冲转换为全缓冲。所以父进程中就会把C式接口中的内容全部放入到C语言的缓冲区中，当使用fork的时候，子进程拷贝父进程的内容，也会拷贝父进程的缓冲区。当程序结束，要刷新缓冲区。刷新缓冲区的本质就是写入，就会发生写时拷贝，所以到系统缓冲区时，C式的接口就会打印两次，系统调用接口不受影响。

过程如图所示：