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C標準庫緩沖區(qū)探索

在計算機里緩存是一個很重要的概念，C標準庫里大量使用了緩存，最為典型的就是標準輸入和標準輸出的緩存，關(guān)于C語言的輸入和輸出看這篇文章即可，利用好緩存可以大幅提高程序性能，首先我們看一下下面這段代碼會輸出什么？

#include 《stdio.h》 #include 《unistd.h》 int main（） { printf（“Hello World！”）; //往標準輸出輸出字符串 //程序停留在while循環(huán)里，程序退出會強制刷新緩沖區(qū)數(shù)據(jù) while（1）{ sleep（1）; } return 0; }

我們在程序里調(diào)用printf函數(shù)打算在標準輸出“Hello World！”，下面的while（1）循環(huán)是想讓程序停在這里不退出程序，每次睡眠1s避免占用大量CPU資源，在Linux中包含unistd.h頭文件才能使用sleep函數(shù)。現(xiàn)在我們編譯以下看看會輸出什么？

我們看到，其實什么都沒有輸出。但是從程序上看，我們已經(jīng)調(diào)用了printf函數(shù)往標準輸出輸出字符串，這就是緩存在起作用了。printf函數(shù)默認是行緩沖，當輸出字符串里有 或者行緩沖區(qū)被填滿或者手動調(diào)用fflush函數(shù)才會一次性將數(shù)據(jù)輸出?，F(xiàn)在你只要加上一條語句輸出換行符，就能在標準輸出輸出字符串了。

printf（“ ”）; //換行，默認標準輸出會立即輸出刷新緩沖區(qū)

或者我們手動調(diào)用fflush也可以強制刷新緩沖區(qū)，輸出字符串。

fflush（stdout）; //強制刷新標準輸出緩沖區(qū)

往標準錯誤輸出字符串的語句編譯運行后會發(fā)生什么呢？

fprintf（stderr， “error information”）; //往標準錯誤輸出輸出信息

fprintf函數(shù)將信息往第一個FILE指針類型參數(shù)輸出，這里第一個參數(shù)我們傳入stderr，編譯運行后立即在控制臺上輸出字符串“error information”。標準錯誤輸出和標準輸出運行測試結(jié)果對比我們知道，調(diào)用fprintf函數(shù)往標準錯誤輸出信息時不需要加字符‘ ’，也不需要強制刷新緩沖區(qū)也能立即輸出信息。這是因為標準錯誤輸出是無緩沖模式，寫入什么數(shù)據(jù)就立即輸出什么數(shù)據(jù)。

下面我們再看看輸入代碼

#include 《stdio.h》 int main（） { char arr［100］ = {0}; scanf（“%s”， arr）; return 0; }

在這段代碼里，程序運行后我們從標準輸入輸入數(shù)據(jù)，直到按下回車才將數(shù)據(jù)輸入到數(shù)組arr里。在按下回車后，實際上刷新了輸入緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)一次性寫入到數(shù)組arr里。

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緩沖區(qū)的作用

在計算機里應(yīng)用程序調(diào)用一個系統(tǒng)調(diào)用從用戶態(tài)進去內(nèi)核態(tài)再將結(jié)果回到用戶態(tài)開銷較大。如果我們調(diào)用printf函數(shù)，每次輸出一個字符都要從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，那么連續(xù)輸出多個字符開銷成本將會非常大，這個時候緩存就起到非常大的作用了，輸出的字符串先在應(yīng)用程序里緩存起來，緩存到一定數(shù)量后再調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用一次性將緩存數(shù)據(jù)輸出到標準輸出。

由于只調(diào)用了一次系統(tǒng)調(diào)用，比連續(xù)調(diào)用多個系統(tǒng)調(diào)用性能高上不少。在生活中我們也能感受到緩存帶來的效率提升，打個比方你辦公室有一個垃圾桶，樓下有倒垃圾的地點，如果扔一個垃圾到垃圾桶里我們就拿去倒掉，將會在辦公室和樓下之間來回很多趟，浪費大量時間。如果將垃圾桶裝滿，再一次性拿到樓下倒掉，只需要跑一次就能把垃圾全都倒掉，節(jié)省了時間，提高了效率。

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緩沖模式和使用方式

C語言里有行緩沖模式、全緩沖模式和無緩沖模式。

行緩沖模式：填滿緩沖區(qū)或者有換行符‘ ’或者調(diào)用fflush函數(shù)強制刷新緩沖區(qū)會立即輸出。

全緩沖模式：填滿緩沖區(qū)或者調(diào)用fflush函數(shù)強制刷新緩沖區(qū)會立即輸出。

無緩沖模式：寫入什么數(shù)據(jù)就會立即輸出什么數(shù)據(jù)，例如標準錯誤輸出默認的緩沖模式。

下面我們用實際代碼演示如何使用三種緩沖模式，設(shè)置緩沖模式會用到setvbuf函數(shù)，我們先來看看setvbuf函數(shù)聲明。

/* Make STREAM use buffering mode MODE. If BUF is not NULL， use N bytes of it for buffering; else allocate an internal buffer N bytes long. */ extern int setvbuf （FILE *__restrict __stream， char *__restrict __buf， int __modes， size_t __n） __THROW;

第一個參數(shù)是FILE類型指針，第二個參數(shù)是外部緩沖區(qū)指針，第三個參數(shù)是緩沖模式，第四個參數(shù)是緩沖大小，如果不使用外部緩沖區(qū)，函數(shù)內(nèi)部將會調(diào)用malloc申請一塊內(nèi)存作為內(nèi)部緩沖區(qū)。

形參mode提供了三個參數(shù)分別設(shè)置不同的緩沖區(qū)模式

_IONBF unbuffered _IOLBF line buffered _IOFBF fully buffered

無緩沖模式實例代碼

#include 《stdio.h》 #include 《unistd.h》 int main（） { setvbuf（stdout， NULL， _IONBF， 0）; //標準輸出設(shè)置為無緩沖，不使用外部緩沖區(qū) printf（“Hello World！”）; return 0; }

編譯運行會立即輸出

Hello World！

行緩沖模式實例代碼

#include 《stdio.h》 #include 《unistd.h》 int main（） { setvbuf（stdout， NULL， _IOLBF， 0）; //標準輸出設(shè)置為行緩沖模式，不使用外部緩沖區(qū) printf（“how are you”）; //不會立即輸出字符串 fflush（stdout）; //強制刷新緩沖區(qū)，立即輸出字符串 return 0; }

編譯運行后，由于調(diào)用了fflush會強制刷新數(shù)據(jù)到標準輸出。

全緩沖模式實例代碼

#include 《stdio.h》 #include 《unistd.h》 int main（） { setvbuf（stdout， NULL， _IOFBF， 0）; //標準輸出設(shè)置為全緩沖模式，不使用外部緩沖區(qū) printf（“Hello World！”）; //不會立即輸出 printf（“how are you”）; //不會立即輸出 printf（“ ”）; while（1）{ sleep（1）; } return 0; }

編譯運行后發(fā)現(xiàn)沒有任何輸出，現(xiàn)在我們在while循環(huán)前面加上下面這條語句，編譯運行看看。

fflush（stdout）; //強制刷新緩沖區(qū)

編譯運行后立即輸出了字符串！

同樣的使用方式可以用于標準輸入和標準錯誤輸出，只需要把stdout緩存stdin或者stderr即可。

編輯：jq