glibc的三种缓冲策略

很多朋友可能在初次学习 C 语言时，如果是使用 Unix 环境，可能遇到过如下的问题

#include <stdio.h>
int main()
{
    printf("Hey");
    return 0;
}

欸我运行完了怎么没输出呢？Google 一番才知道，这是由于所谓缓冲(Buffer)机制导致的

这个时候，你需要在 格式化串的结尾加一个\n，就可以看到输出了

这是因为，标准输出是基于行缓冲(Line Buffered) 策略的，它遇到\n时，会将缓冲区内容打包送出，这才可以看到要输出的字符串

除了行缓冲之外，glibc还有两种策略，详见下节

三种缓冲策略

根据 Buffering Concepts (The GNU C Library)

存在三种缓冲策略，

• unbuffered

  不存在缓冲概念，字符一个一个被传输

• line buffered

  行缓冲，遇到换行符时，将缓冲区内容发出

• fully buffered

  全缓冲，当缓冲区内容到达指定大小时，将缓冲区内容发出

并且

Newly opened streams are normally fully buffered, with one exception: a stream connected to an interactive device such as a terminal is initially line buffered.

新打开的流应该都是全缓冲的，然而有一个例外：该流与互动式设备（如终端)，那么它就是行缓冲的

缓冲区的刷新

刷新一个被缓冲的流是指，将缓冲区中堆积的字符发送给文件。有许多情形下，刷新操作将自动进行：

• 准备进行输出，并且缓冲区已满
• 流关闭时
• 程序调用exit时
• 行缓冲策略下，遇到\n时
• Whenever an input operation on any stream actually reads data from its file.

如果你想主动刷新，那么请调用fflush(FILE *stream)

注意：fflush通常用于刷新输出流，对于输入流的操作请详阅 manual page

缓冲策略的控制

在你打开一个流之后，并且在对它操作之前，你可以通过setbuf系列函数显式指定他的缓冲策略，以及控制其缓冲区大小

• Macro: int _IOFBF

  用于说明流为全缓冲

• Macro: int _IOLBF

  用于说明流为行缓冲

• Macro: int _IONBF

  无缓冲

• Macro: int BUFSIZ

  用于描述缓冲区大小，这个值被保证至少为 256。这个宏是基于不同操作系统而设定的，所以最好使用它来作为setvbuf的函数

  实际上，你还可以通过fstat来获取文件的st_blksize，即块大小，使用它来作为流的缓冲大小

改变流的缓冲策略

int setvbuf(FILE *restrict stream, char *restrict buf, int mode, size_t size);
void setbuf(FILE *restrict stream, char *restrict buf);
void setlinebuf (FILE *stream)
// Open a Stream, fully buffered by default
FILE *fp = fopen("log.log", "w");

// Set it unbuffered
// equivalent  to 
// setbuf(fp,NULL);
setvbuf(fp, NULL, _IONBF, 0);


// set it line buffered
setlinebuf(fp);

缓冲策略的检测

• Function: int __flbf (FILE *stream)

  如果流为行缓冲，则返回一个非 0 值，否则返回 0

• Function: size_t __fbufsize (FILE *stream)

  返回指定流的缓冲区大小

• Function: size_t __fpending (FILE *stream)

  返回指定流的缓冲区中内容大小，以字节为单位。此函数不应用于目的为读的流。

glibc似乎只提供了行缓冲的检测方法

为什么我写这个

你可能会说，我擦，就这点事你把全村人叫过来？

其实我是遇到了另一个问题，看代码，这个 空文件 logtest.log会被写入什么内容？

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{

    int pid;

    FILE *fp = fopen("logtest.log", "w");
    fprintf(fp, "hello world\n");
    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        ;
    }
    else
    {
        wait(NULL);
        exit(1);
    }

}

如果你以为是hello world\n，那你就错了

答案是hello world\nhello world\n，如果你不知道为什么，请看下方解析：

• fork会复制(准确来说是 copy-on-write)父进程的内存空间，其中包括了 输出缓冲区
• 新打开的流应该都是全缓冲的，然而有一个例外：该流与互动式设备（如终端)，那么它就是行缓冲的
• 程序调用exit时，会自动刷新缓冲区，将内容全部推到流中

你觉得这个字符串是在父进程写入，并且子进程什么都没干，是因为默认了fp是行缓冲的，但其实它不是

真实的情况是：

1. 父进程将hello world\n写入了缓冲区，因为fp是全缓冲的，所以字符串并没有立刻输出到文件
2. fork之后，子进程没事情可以干，于是隐式调用了exit，将复制来的缓冲区内容推到了fp
3. 父进程等待子进程结束，随后显式调用exit，将缓冲区中的内容推到fp

所以文件里有两次输出

其实所谓exit的隐式调用，是因为main本身是这样被执行的

1. _start
2. __libc_start_main
3. main

main 的执行方式可以简化为

exit(main(argc, argv));

所以无论是

• 在main中显式调用exit
• 使用return(包括编译器自动加上的情况)
• 返回值为void（最后会返回一个随机数字，不太清楚原理）

进程都会调用exit收尾，缓冲区一定会被刷新

一个很不错的参考：

链接、装载与库 — 运行库 | Technology Blog (markrepo.github.io)