c - 了解 C 中的缓冲

Question

我真的很难理解缓冲的深度，尤其是在 C 编程中，我在这个主题上搜索了很长时间，但直到现在还没有找到令人满意的东西。

我会更具体一点:我确实理解它背后的概念(即不同硬件设备的操作协调和最小化这些设备的速度差异)但我希望能更全面地解释这些和其他潜在的缓冲原因(我的意思是完整的)越长越深越好)给出一些具体的例子来说明缓冲是如何在 I/O 流中实现的。

其他问题是我注意到我的程序没有遵循缓冲区刷新中的一些规则，这听起来很奇怪，就像下面的简单片段:

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    FILE * fp = fopen("hallo.txt", "w");

    fputc('A', fp);
    getchar();
    fputc('A', fp);
    getchar();

    return 0;
}

该程序旨在演示即将发生的输入将在调用第一个 getchar() 时立即刷新任意流，但这根本不会像我尝试的那样频繁发生，也不会像我想要的那样进行尽可能多的修改——它根本不会对于 stdout(例如 printf())没有发生，流在没有任何输入请求的情况下被刷新也否定了规则因此我是否错误地理解了这条规则或者是否存在其他需要考虑的事情

我在 Windows 8.1 上使用 Gnu GCC。

更新:

我忘了问我在一些网站上读到人们如何指代例如字符串文字作为缓冲区，甚至数组作为缓冲区；这是正确的还是我遗漏了什么？也请说明这一点。

Answer 1

缓冲区 这个词在计算机科学中用于许多不同的事物。从更一般的意义上讲，它是临时存储数据的任何一 block 内存，直到它被处理或复制到最终目的地(或其他缓冲区)。

正如您在问题中暗示的那样，缓冲区有多种类型，但作为一个广泛的分组:

1. 硬件缓冲区:这些是数据在移动到硬件设备之前存储的缓冲区。或者在从 HW 设备接收数据时存储数据的缓冲区，直到它被应用程序处理为止。这是必需的，因为 I/O 操作通常具有内存和时序要求，而这些由缓冲区来满足。想想直接读/写内存的 DMA 设备，如果内存设置不正确，系统可能会崩溃。或者必须具有亚微秒精度的声音设备，否则将无法正常工作。

2. 缓存缓冲区:这些缓冲区是在写入文件/设备/从文件/设备读取数据之前对数据进行分组的缓冲区，以便普遍提高性能。

3. 辅助缓冲区:您将数据移入/移出这样的缓冲区，因为它对您的算法来说更容易。

案例 #2 是您的 FILE* 示例。想象一下，调用 write 系统调用(WriteFile() 在 Win32 中)只需要 1ms 的调用加上每个字节的 1us(请耐心等待，事情更复杂在现实世界中)。然后，如果您这样做:

FILE *f = fopen("file.txt", "w");
for (int i=0; i < 1000000; ++i)
    fputc('x', f);
fclose(f);

如果没有缓冲，这段代码将花费 1000000 * (1ms + 1us)，也就是大约 1000 秒。然而，对于 10000 字节的缓冲区，将只有 100 个系统调用，每个 10000 字节。那将是 100 * (1ms + 10000us)。那只是 0.1 秒!

另请注意，操作系统将进行自己的缓冲，以便使用最有效的大小将数据写入实际设备。那将同时是一个硬件和缓存缓冲区!

关于您的刷新问题，文件通常在关闭或手动刷新时刷新。某些文件，例如 stdout 是行刷新的，也就是说，只要写入 '\n'，它们就会被刷新。 stdin/stdout 也很特殊:当您从 stdin 读取时，stdout 会被刷新。其他文件保持不变，只有 stdout。如果您正在编写交互式程序，这会很方便。

我的情况 #3 是例如当您这样做时:

FILE *f = open("x.txt", "r");
char buffer[1000];
fgets(buffer, sizeof(buffer), f);
int n;
sscanf(buffer, "%d", &n);

您使用缓冲区保存文件中的一行，然后解析该行中的数据。是的，你可以直接调用fscanf()，但在其他API中可能没有等价的功能，而且你有更多的控制权:你可以分析行的类型，跳过注释，计数线...

或者假设您一次接收一个字节，例如从键盘接收一个字节。您只需在缓冲区中累积字符并在按下 Enter 键时解析该行。这就是大多数交互式控制台程序所做的。