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C標準庫緩沖區探索

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循環里，程序退出會強制刷新緩沖區數據 while（1）{ sleep（1）; } return 0; }

我們在程序里調用printf函數打算在標準輸出“Hello World！”，下面的while（1）循環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。現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，我們已經調用了printf函數往標準輸出輸出字符串，這就是緩存在起作用了。printf函數默認是行緩沖，當輸出字符串里有 或者行緩沖區被填滿或者手動調用fflush函數才會一次性將數據輸出。現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

或者我們手動調用fflush也可以強制刷新緩沖區，輸出字符串。

fflush（stdout）; //強制刷新標準輸出緩沖區

往標準錯誤輸出字符串的語句編譯運行后會發生什么呢？

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

fprintf函數將信息往第一個FILE指針類型參數輸出，這里第一個參數我們傳入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果對比我們知道，調用fprintf函數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，寫入什么數據就立即輸出什么數據。

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據，直到按下回車才將數據輸入到數組arr里。在按下回車后，實際上刷新了輸入緩沖區將數據一次性寫入到數組arr里。

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緩沖區的作用

在計算機里應用程序調用一個系統調用從用戶態進去內核態再將結果回到用戶態開銷較大。如果我們調用printf函數，每次輸出一個字符都要從用戶態切換到內核態，那么連續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用程序里緩存起來，緩存到一定數量后再調用系統調用一次性將緩存數據輸出到標準輸出。

由于只調用了一次系統調用，比連續調用多個系統調用性能高上不少。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：填滿緩沖區或者有換行符‘ ’或者調用fflush函數強制刷新緩沖區會立即輸出。

全緩沖模式：填滿緩沖區或者調用fflush函數強制刷新緩沖區會立即輸出。

無緩沖模式：寫入什么數據就會立即輸出什么數據，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，設置緩沖模式會用到setvbuf函數，我們先來看看setvbuf函數聲明。

/* 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;

第一個參數是FILE類型指針，第二個參數是外部緩沖區指針，第三個參數是緩沖模式，第四個參數是緩沖大小，如果不使用外部緩沖區，函數內部將會調用malloc申請一塊內存作為內部緩沖區。

形參mode提供了三個參數分別設置不同的緩沖區模式

_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）; //標準輸出設置為無緩沖，不使用外部緩沖區 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）; //標準輸出設置為行緩沖模式，不使用外部緩沖區 printf（“how are you”）; //不會立即輸出字符串 fflush（stdout）; //強制刷新緩沖區，立即輸出字符串 return 0; }

編譯運行后，由于調用了fflush會強制刷新數據到標準輸出。

全緩沖模式實例代碼

#include 《stdio.h》 #include 《unistd.h》 int main（） { setvbuf（stdout， NULL， _IOFBF， 0）; //標準輸出設置為全緩沖模式，不使用外部緩沖區 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; }

編譯運行后發現沒有任何輸出，現在我們在while循環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

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