用户空间IO缓冲区产生

系统调用过程中会产生的开销如下：

• 切换CPU到内核态
• 进行数据内容的拷贝，从用户态到内核态或者从内核态到用户态
• 切换CPU到用户态

以上为普通到系统调用过程中操作系统需要产生的额外开销，为了提升系统调用的性能，这里推出用户空间的IO缓冲区，即文件读写在用户空间时写入IO缓冲区，后续的写入或者读出page cache则直接由IO缓冲区进行读写。

IO缓冲区所处操作系统位置如下图：

IO缓冲区 描述

C标准库创建的IO缓冲区

• 在用户空间，为每个打开的文件分配一个I/O缓冲区、分配一个文件描述符、I/O缓冲区信息和文件描述符一起封装在FIFE结构体中
• size_t fread(void *ptr,size_t size,size_t memb,FILE *stream);
• size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

关于FILE结构体的内容如下/usr/include/x86_64-linux-gnu/bits/types/struct_FILE.h：

/* The tag name of this struct is _IO_FILE to preserve historicC++ mangled names for functions taking FILE* arguments.That name should not be used in new code.  */
struct _IO_FILE
{ int _flags;		/* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. *//* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */char *_IO_read_ptr;	/* Current read pointer */char *_IO_read_end;	/* End of get area. */char *_IO_read_base;	/* Start of putback+get area. */char *_IO_write_base;	/* Start of put area. */char *_IO_write_ptr;	/* Current put pointer. */char *_IO_write_end;	/* End of put area. */char *_IO_buf_base;	/* Start of reserve area. */char *_IO_buf_end;	/* End of reserve area. *//* The following fields are used to support backing up and undo. */char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */char *_IO_backup_base;  /* Pointer to first valid character of backup area */char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */struct _IO_marker *_markers;struct _IO_FILE *_chain;int _fileno;int _flags2;__off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small.  *//* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */unsigned short _cur_column;signed char _vtable_offset;char _shortbuf[1];_IO_lock_t *_lock;
#ifdef _IO_USE_OLD_IO_FILE
};

其中重要的数据结构为:

1. int _fileno;我们的文件描述符
2. char *_IO_buf_base; IO缓冲区的起始区域
3. char *_IO_buf_end; IO缓冲区的结束区域

当使用fread进行读文件时

• 打开文件，获取到文件描述符_fileno
• 利用文件描述符获取到文件inode，根据文件inode先到io缓冲区中获取当前文件内容，如果获取不到则执行下一步，否则直接返回。
• 根据文件inode从page cache中获取到对应的缓存页的内容
• 将获取到的内容读到读的IO缓冲区

当使用fwrite写文件时

• 打开文件，获取到文件描述符
• 利用文件描述符获取到文件inode,将需要写到内容写入到io缓冲区中
• io缓冲区利用fflush将其中到内容写入到page cache页高速缓冲区中
• 再由page cache根据是否达到阈值，将page cache中的数据pdflush回写到磁盘中

IO缓冲区的写模式

使用fwrite写文件时的第二步 IO 缓冲区中的数据fflush到page cache时有几种不同的写模式，即根据不同的模式将IO缓冲区的数据写入到page cache中。

• 块缓冲(block buffered):
  
  固定字节的缓冲区大小，比如跟文件相关的流都是块缓冲
  
  标准IO块缓冲为完全缓冲（full bufferring）
  
  此时，当客户端将块缓冲区写满之后，才会向page cache中下刷数据，一般的文件操作都为块缓冲区
• 行缓冲(line buffered):
  
  遇到换行符，缓冲区中的数据会拷贝到内核缓冲区
• 无缓冲(unbuffered)
  
  数据直接拷贝到内核缓冲区
  
  如：标准错误stderr采用无缓冲模式

自定义IO缓冲区

系统默认开辟的IO缓冲区大小为8K，但是很多时候我们需要写入文件内容是大于8K，这个时候需要我们自定义IO缓冲区大小，使用如下C库函数:

• 头文件
• 函数使用：

  void setbuf(FILE *stream, char *buf); //无缓冲区
  void setbuffer(FILE *stream, char *buf, size_t size);//块缓冲区
  void setlinebuf(FILE *stream);//行缓冲区//兼容三种缓冲期	
  int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);
  

• 参数描述：
  • stream 指向流的指针
  • buf 缓冲区地址
  • mode缓冲区类型
    
    如下三种

    _IONBF //无unbuffered
    _IOLBF //行line buffered
    _IOFBF //块fully buffered
    

  • size 缓冲区内字节数

代码如下:

#include int main() { char buf[BUFSIZ];char buf2[BUFSIZ];//printf("BUFSIZ is %d
",BUFSIZ);setvbuf(stdout,buf,_IOFBF,BUFSIZ);printf("BUFSIZ after setvbuf is %d
",BUFSIZ);setbuffer(stdout, buf2,10240);printf("hello world
");printf("buf:%s
",buf);printf("buf2:%s
",buf2);return 0;
}