Linux 用户缓冲区

1. 文件描述符的分配规则

我们知道Linux进程默认情况下会有3个缺省打开的文件描述符，分别是标准输入stdin--0，标准输出stdout--1，标准错误stderr--2。0,1,2对应的物理设备一般是：键盘，显示器，显示器.接下来我们来研究文件描述符的分配规则，代码如下。

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
int main()
{int fd = open("file.txt",O_CREAT|O_WRONLY);if(fd<0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n",fd);close(fd);return 0;
}

输出发现是 fd: 3 ，我们再关闭0或者2，在看看结果。

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
int main()
{close(0);int fd = open("file.txt",O_CREAT|O_WRONLY);if(fd<0){perror("open");return 1;}printf("fd: %d\n",fd);close(fd);return 0;
}

发现是结果是： fd: 0 ，可见，文件描述符的分配规则：在files_struct数组当中，找到当前没有被使用的最小的一个下标，作为新的文件描述符。

2. 重定向

那如果关闭1呢？看代码：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{close(1);int fd = open("file.txt",O_CREAT|O_WRONLY);if(fd<0){perror("open");return 1;}char * message="hello world\n";write(1,message,strlen(message));close(fd);return 0;
}

在这里我们先将1号文件关闭后再打开 file.txt 文件，之后向1号文件内写入字符串，编译运行之后来查看结果。

默认情况下1号文件是显示器，我们可以看到屏幕并没有打印字符串，很正常因为我们把屏幕关闭了，但它却把内容写到了file.txt内，这个现象就是输出重定向。

当我们把1号文件关闭后再创建了一个file.txt文件，该文件就会占据1号文件的位置，那么当我们向1号文件写入时，自然就写入到了file.txt里。

3. 使用 dup2 系统调用

显然对于先关闭再打开这样的操作还是很麻烦，其实只需要struct file* fd_array[ ]数组里对应下标的值拷贝一份放到目标下标里，就可以完成一次重定向。

dup2函数是Linux系统调用的一部分，用于复制文件描述符。它的原型定义在<unistd.h>头文件。

dup2函数的作用是将文件描述符oldfd复制到文件描述符newfd。如果newfd已经打开，它会先被关闭。如果newfd等于oldfd，则dup2返回newfd而不关闭它。dup2是一个原子操作，这意味着它要么完全成功，要么完全失败，不会出现部分成功的情况。

dup2函数在文件描述符的管理中非常有用，例如在重定向输入输出时。例如，可以使用dup2将标准输出（STDOUT_FILENO）重定向到一个网络套接字，或者将标准错误（STDERR_FILENO）重定向到一个文件。

如果dup2调用成功，它返回新的文件描述符；如果失败，则返回-1，并且errno会被设置以指示错误原因。

在实际编程中，dup2可以用来创建文件描述符的副本，或者在需要时关闭和重新打开文件描述符，以改变它们的行为或关联的文件。

示例代码如下

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main()
{int fd = open("file.txt",O_CREAT|O_WRONLY);if(fd<0){perror("open");return 1;}//重定向dup2(fd,1);char * message="hello world\n";write(1,message,strlen(message));return 0;
}

4. 缓冲区

我们有以下代码，其中 printf 和 fwrite 均为库函数，而 write 为系统调用接口。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{const char *msg0="hello printf\n";const char *msg1="hello fwrite\n";const char *msg2="hello write\n";printf("%s", msg0);fwrite(msg1, strlen(msg0), 1, stdout);write(1, msg2, strlen(msg2));fork();return 0;
}

运行出结果：

如果对进程实现输出重定向，使用 ./test1 > file1.txt 命令，我们发现结果变成了：

我们发现 printf 和 fwrite （库函数）都输出了2次，而 write 只输出了一次（系统调用）。肯定和 fork有关！一般C库函数写入文件时是全缓冲的，而写入显示器是行缓冲。 printf fwrite 库函数会自带缓冲区，当发生重定向到普通文件时，数据的缓冲方式由行缓冲变成了全缓冲。而我们放在缓冲区中的数据，就不会被立即刷新，但是进程退出之后，会统一刷新，写入文件当中。但是fork的时候，父子数据会发生写时拷贝，所以当你父进程准备刷新的时候，子进程也就有了同样的一份数据，随即产生两份数据。 write 没有变化，说明没有所谓的缓冲。

综上： printf fwrite 库函数会自带缓冲区，而 write 系统调用没有带缓冲区。另外，我们这里所说的缓冲区，都是用户级缓冲区。其实为了提升整机性能，OS也会提供相关内核级缓冲区。那这个缓冲区谁提供呢？ printf fwrite 是库函数， write 是系统调用，库函数在系统调用的“上层”，是对系统调用的“封装”，但是 write 没有缓冲区，而 printf fwrite 有，足以说明，该缓冲区是二次加上的，又因为是 C，所以由C标准库提供。