目录

1 I/O 缓冲简介

1.1 什么是I/O 缓冲

1.2 I/O 缓冲的目的

2 文件 I/O 的内核缓冲

3 刷新文件 I/O 的内核缓冲区

3.1 什么是刷新文件 I/O 的内核缓冲区

3.2 控制文件 I/O 内核缓冲的系统调用函数

3.3 示例程序

4 控制文件 I/O 内核缓冲的标志

4.1 O_DSYNC 和 O_SYNC标志简介

4.2 示例程序

5 直接 I/O：绕过内核缓冲

5.1 绕过内核缓冲含义

5.2 为什么不都使用直接 I/O

5.3 直接 I/O 的对齐限制

6 stdio 缓冲

6.1 stdio 缓冲简介

6.2 标准 I/O 的 stdio 缓冲函数

6.3 标准输出 printf()的行缓冲模式测试

6.4 将标准输出配置为无缓冲模式测试

6.5 fflush()刷新 stdio 缓冲区

6.6 关闭与退出时刷新 stdio 缓冲区

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1 I/O 缓冲简介

1.1 什么是I/O 缓冲

出于速度和效率的考虑，系统 I/O 调用（即文件 I/O）和标准 C 语言库 I/O 函数（即标准 I/O 函数）在操作磁盘文件时会对数据进行缓冲。I/O缓冲指的是在数据传输过程中，用于临时存储数据的内存区域。它允许程序先将数据写入或从内存中的一个缓冲区读取，然后再与外部设备（如硬盘、网络或控制台）进行数据交换。

1.2 I/O 缓冲的目的

提高效率：减少实际的I/O操作次数，因为可以积累一定量的数据后再执行一次较大的传输，而不是每次只传输少量数据。

减少阻塞：在缓冲的帮助下，程序可以继续执行其他任务，而不必等待每次I/O操作完成。

数据整合：在输出时，可以将多次小的数据写入合并为一次较大的写入操作。

2 文件 I/O 的内核缓冲

read()和 write()系统调用在进行文件读写操作的时候并不会直接访问磁盘设备，而是仅仅在用户空间缓冲区和内核缓冲区（kernel buffer cache）之间复制数据。譬如调用 write()函数将 5 个字节数据从用户空间内存拷贝到内核空间的缓冲区中：

write(fd, "Hello", 5); //写入 5 个字节数据

调用 write()后仅仅只是将这 5 个字节数据拷贝到了内核空间的缓冲区中，拷贝完成之后函数就返回了，在后面的某个时刻，内核会将其缓冲区中的数据写入（刷新）到磁盘设备中，所以由此可知，系调用 write()与磁盘操作并不是同步的， write()函数并不会等待数据真正写入到磁盘之后再返回。如果在此期间， 其它进程调用 read()函数读取该文件的这几个字节数据，那么内核将自动从缓冲区中读取这几个字节数据返回给应用程序。

与此同理，对于读文件而言亦是如此，内核会从磁盘设备中读取文件的数据并存储到内核的缓冲区中，当调用 read()函数读取数据时， read()调用将从内核缓冲区中读取数据，直至把缓冲区中的数据读完，这时，内核会将文件的下一段内容读入到内核缓冲区中进行缓存。

文件 I/O 的内核缓冲区自然是越大越好， Linux 内核本身对内核缓冲区的大小没有固定上限。内核会分配尽可能多的内核来作为文件 I/O 的内核缓冲区，但受限于物理内存的总量，如果系统可用的物理内存越多，那自然对应的内核缓冲区也就越大，操作越大的文件也要依赖于更大空间的内核缓冲。

3 刷新文件 I/O 的内核缓冲区

3.1 什么是刷新文件 I/O 的内核缓冲区

刷新文件 I/O 的内核缓冲区：就是强制将文件 I/O 内核缓冲区中缓存的数据写入（刷新）到磁盘设备中。对于某些应用场景来说，可能是很有必要的，例如应用程序在进行某操作之前， 必须要确保前面步骤调用 write()写入到文件的数据已经真正写入到了磁盘中， 诸如一些数据库的日志进程。

以Ubuntu系统中的文件传输为例，当用户将文件复制到U盘后，拔除U盘前通常需要执行sync命令。sync命令的作用是确保所有文件I/O操作已经完成，内核缓冲区中的数据已被强制写入到U盘。如果省略此步骤，直接拔出U盘，可能会导致数据丢失或文件损坏，因为缓冲区中的数据可能尚未完全写入到U盘。

3.2 控制文件 I/O 内核缓冲的系统调用函数

Linux 中提供了一些系统调用可用于控制文件 I/O 内核缓冲，包括系统调用 sync()、 syncfs()、 fsync()以及 fdatasync()。

#include <unistd.h>void sync(void);
int syncfs(int fd);
int fsync(int fd);
int fdatasync(int fd);

sync()：将所有未写的或延迟写入的缓冲数据发送到磁盘。

• 用法：通常在系统范围内刷新所有的文件系统缓冲区。

syncfs()：同步指定文件描述符的文件系统缓冲区到磁盘。

• 用法：syncfs() 调用只影响特定的文件系统，而不是整个系统。

fsync()：强制将指定文件描述符的所有未写入数据同步到磁盘。

• 用法：fsync() 通常用于确保对某个特定文件的所有更改都已持久化。

fdatasync()：类似于 fsync()，但它只同步文件的数据部分，不包括元数据（如修改时间）。

• 用法：当只需要同步文件内容而不需要更新文件属性时，使用 fdatasync()。

3.3 示例程序

下面是程序示例演示了如何使用 fsync() 和 fdatasync() 函数来确保文件数据被同步到磁盘：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main() 
{// 打开文件用于写入int fd = open("example.txt", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);if (fd == -1) {perror("Failed to open file");return 1;}// 写入数据到文件const char *data = "Important data to sync to disk";if (write(fd, data, strlen(data)) == -1) {perror("Failed to write to file");close(fd);return 1;}// 使用 fsync() 同步文件的所有数据和元数据到磁盘if (fsync(fd) == -1) {perror("fsync failed");close(fd);return 1;}printf("File and metadata synced to disk using fsync.\n");// 再次写入数据到文件if (write(fd, data, strlen(data)) == -1) {perror("Failed to write to file");close(fd);return 1;}// 使用 fdatasync() 只同步文件的数据部分到磁盘if (fdatasync(fd) == -1) {perror("fdatasync failed");close(fd);return 1;}printf("Data synced to disk using fdatasync.\n");// 关闭文件描述符close(fd);return 0;
}

程序首先打开（或创建）一个名为 example.txt 的文件用于写入，然后向其中写入一段数据。接着，使用 fsync() 函数确保这些数据和文件的元数据被同步到磁盘，以保证数据的持久性。之后，程序再次写入相同的数据，并使用 fdatasync() 函数仅同步数据部分到磁盘，而不包括元数据。最后，关闭文件描述符。程序运行结果如下：

4 控制文件 I/O 内核缓冲的标志

4.1 O_DSYNC 和 O_SYNC标志简介

O_DSYNC 和 O_SYNC 是两个用于控制文件I/O操作同步性的标志，定义了文件操作的同步写入行为。可以与 open() 函数一起使用，以改变文件的默认写入行为。

O_SYNC：

• 当使用 O_SYNC 标志打开文件时，所有对该文件的写操作都将被执行为同步写入。意味着每次写操作（write()）完成后，系统都会确保数据被实际写入到磁盘，而不仅仅是内核缓冲区，但可能会降低性能，因为每次写操作都需要等待磁盘I/O完成。

O_DSYNC：

• O_DSYNC 标志用于打开文件，使得所有写操作都执行为同步的，就像 O_SYNC 一样。但是，与 O_SYNC 不同的是，O_DSYNC 只保证数据的同步性，而不保证文件元数据（如修改时间）的同步更新。意味着使用 O_DSYNC 标志时，文件内容会及时写入磁盘，但文件属性可能不会立即更新。

4.2 示例程序

下面的示例演示如使用 O_SYNC 和 O_DSYNC 标志打开文件，并进行写操作。

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {const char *filename = "sync_example.txt";const char *data = "Data that needs to be synced immediately";// 使用 O_SYNC 标志打开文件，每次写操作后都会同步数据和元数据int sync_fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_SYNC, 0644);if (sync_fd == -1) {perror("Failed to open file with O_SYNC");return 1;}write(sync_fd, data, strlen(data)); // 写操作会立即同步到磁盘close(sync_fd);// 使用 O_DSYNC 标志打开文件，每次写操作后都会同步数据，但元数据可能不会int dsync_fd = open(filename, O_WRONLY | O_CREAT | O_DSYNC, 0644);if (dsync_fd == -1) {perror("Failed to open file with O_DSYNC");return 1;}write(dsync_fd, data, strlen(data)); // 数据会立即同步到磁盘，元数据可能不会close(dsync_fd);return 0;
}

• 使用 O_SYNC 标志打开文件 sync_example.txt 进行写操作，这确保了每次写操作后，数据和文件的元数据都会立即同步到磁盘。
• 使用 O_DSYNC 标志再次打开同一个文件进行写操作，这确保了数据会立即同步，但文件的元数据（如修改时间）可能不会立即更新到磁盘。

5 直接 I/O：绕过内核缓冲

5.1 绕过内核缓冲含义

前面的内容提到，数据传输过程中会临时存储数据到内存缓冲区，为了保持数据同步，会利用相关函数和标志将数据立即更新到磁盘。那么，有没有方法省略中间的缓冲步骤，直接将数据传递到文件或磁盘设备？

从Linux内核2.4版本起，Linux系统就支持应用程序执行直接I/O操作，即绕过内核缓冲区，直接在用户空间和磁盘之间传输数据。

5.2 为什么不都使用直接 I/O

在有些情况下，这种操作通常是很有必要的，例如，某应用程序的作用是测试磁盘设备的读写率， 那么在这种应用需要下，我们就需要保证 read/write 操作是直接访问磁盘设备，而不经过内核缓冲，如果不能得到这样的保证，必然会导致测试结果出现比较大的误差。

在特定情况下，如磁盘读写性能测试，直接I/O是必要的，以确保读写操作不经过内核缓冲，从而获得准确的测试结果。对于大多数应用程序而言，使用直接 I/O 可能会大大降低性能，这是因为为了提高 I/O 性能，内核针对文件 I/O 内核缓冲区做了不少的优化，譬如包括按顺序预读取、在成簇磁盘块上执行 I/O、允许访问同一文件的多个进程共享高速缓存的缓冲区。如果应用程序使用直接 I/O 方式， 将无法享受到这些优化措施所带来的性能上的提升，直接 I/O 只在一些特定的需求场合，譬如磁盘速率测试工具、数据库系统等。

要实现直接I/O，可以在打开文件时通过open()函数并带上O_DIRECT标志来指定。例如：

int fd = open("file.dat", O_WRONLY | O_CREAT | O_DIRECT, 0644);
if (fd < 0) {perror("open");// 处理错误
}
// 使用write()等函数进行I/O操作
// ...
close(fd);

示例中，O_DIRECT标志被添加到open()函数的参数中，操作系统进行直接I/O操作。

5.3 直接 I/O 的对齐限制

因为直接 I/O 涉及到对磁盘设备的直接访问，所以在执行直接 I/O 时，必须要遵守以下三个对齐限制要求：

• 应用程序中用于存放数据的缓冲区，其内存起始地址必须以块大小的整数倍进行对齐；
• 写文件时，文件的位置偏移量必须是块大小的整数倍；
• 写入到文件的数据大小必须是块大小的整数倍。

如果不满足以上任何一个要求，调用 write()均为以错误返回 Invalid argument。以上所说的块大小指的是磁盘设备的物理块大小（block size） ，常见的块大小包括 512 字节、 1024 字节、 2048 以及 4096 字节。

可以如下命令进行查看磁盘分区的块大小：

tune2fs -l /dev/sda | grep "Block size"

-l 后面指定了需要查看的磁盘分区，可以使用 df -h 命令查看 Ubuntu 系统的根文件系统所挂载的磁盘分区：

运行得到块大小：
 

6 stdio 缓冲

6.1 stdio 缓冲简介

标准 I/O（fopen、 fread、 fwrite、 fclose、 fseek 等）是 C 语言标准库函数， 而文件 I/O（open、 read、 write、close、 lseek 等）是系统调用，虽然标准 I/O 是在文件 I/O 基础上进行封装而实现， 但在效率、性能上标准 I/O 要优于文件 I/O，其原因在于标准 I/O 实现维护了自己的缓冲区， 我们把这个缓冲区称为 stdio 缓冲区。

前面提到了文件 I/O 内核缓冲，这是由内核维护的缓冲区，而标准 I/O 所维护的 stdio 缓冲是用户空间的缓冲区，当应用程序中通过标准 I/O 操作磁盘文件时，为了减少调用系统调用的次数，标准 I/O 函数会将用户写入或读取文件的数据缓存在 stdio 缓冲区，然后再一次性将 stdio 缓冲区中缓存的数据通过调用系统调用 I/O（文件 I/O）写入到文件 I/O 内核缓冲区或者拷贝到应用程序的 buf 中。通过这样的优化操作，当操作磁盘文件时，在用户空间缓存大块数据以减少调用系统调用的次数，使得效率、性能得到优化。 

6.2 标准 I/O 的 stdio 缓冲函数

C 语言提供了一些库函数可用于对标准 I/O 的 stdio 缓冲区进行相关的一些设置， 包括 setbuf()、setbuffer()以及 setvbuf()。

setvbuf() 函数：设置缓冲区。

int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);

• stream：指向 FILE 结构的指针，表示要设置缓冲区的流。
• buf：用户提供的缓冲区，或 NULL 以使用 stdio 的默认缓冲区。
• mode：缓冲区模式，可以是 _IOFBF（全缓冲）、_IONBF（无缓冲）或 _IOLBF（行缓冲）。
• size：缓冲区的大小。
• 返回值： 成功返回 0，失败将返回一个非 0 值，并且会设置 errno 来指示错误原因。

无缓冲（_IONBF）	在无缓冲模式下，每次写操作都会直接发送到输出设备，不经过任何内部缓冲区。
行缓冲（_IOLBF）	行缓冲模式下，输出通常在遇到换行字符（\n）时被刷新到输出设备。
全缓冲（_IOFBF）	全缓冲模式下，输出会被存储在缓冲区中，直到缓冲区满或者通过显式调用刷新缓冲区的函数（如fflush()）时，才会将数据发送到输出设备。

setbuf() 函数：函数允许指定一个自定义的缓冲区，如果提供了有效的 buf 指针，将使用这个缓冲区进行数据缓冲。

void setbuf(FILE *stream, char *buf);

• stream：指向 FILE 结构的指针，表示要设置缓冲区的输出流（如 stdout 或文件流）。
• buf：指向字符数组的指针，用作流的缓冲区。如果 buf 为 NULL，则流变为无缓冲。

setbuffer() 函数：setbuffer()函数类似于 setbuf()，但允许调用者指定 buf 缓冲区的大小

void setbuffer(FILE *stream, char *buf, size_t size);

• stream：指向 FILE 结构的指针，表示要设置缓冲区的流。
• buf：用户提供的缓冲区。
• size：缓冲区的大小。

6.3 标准输出 printf()的行缓冲模式测试

我们先看看下面这个简单地示例代码，调用了 printf()函数，区别在于第二个 printf()没有输出换行符。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(void)
{printf("Hello World 1\n");printf("Hello World 2");for ( ; ; )sleep(1);
}

运行之后可以发现只有第一个 printf()打印的信息显示出来了，第二个并没有显示出来，这是为什么呢？

这就是 stdio 缓冲的问题，前面提到了标准输出默认采用的是行缓冲模式， printf()输出的字符串写入到了标准输出的 stdio 缓冲区中，只有输出换行符时（不考虑缓冲区填满的情况） 才会将这一行数据刷入到内核缓冲区。因为第一个 printf()包含了换行符，所以已经刷入了内核缓冲区，而第二个 printf 并没有包含换行符，所以第二个 printf 输出的"Hello World!"还缓存在 stdio 缓冲区中。

scanf()函数的行缓冲模式：格式化输入 scanf()函数通过键盘输入数据，只有在按下回车键（换行符键）时程序才会接着往下执行，因为标准输入默认也是采用了行缓冲模式。

6.4 将标准输出配置为无缓冲模式测试

修改上面的代码，使标准输出变成无缓冲模式，修改后代码如下所示：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(void)
{/* 将标准输出设置为无缓冲模式 */if (setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0)) {perror("setvbuf error");exit(0);}printf("Hello World 1\n");printf("Hello World 2");for ( ; ; )sleep(1);
}

在使用 printf()之前，调用 setvbuf()函数将标准输出的 stdio 缓冲设置为无缓冲模式，可以发现该程序能够成功输出两个“Hello World!”。运行结果如下：

6.5 fflush()刷新 stdio 缓冲区

无论我们采取何种缓冲模式，在任何时候都可以使用库函数 fflush()来强制刷新stdio 缓冲区， 该函数会刷新指定文件的 stdio 输出缓冲区，此函数原型如下所示：

int fflush(FILE *stream);

参数： stream 指定需要进行强制刷新的文件，如果该参数设置为 NULL，则表示刷新所有的 stdio 缓冲区。
返回值：函数调用成功返回 0，否则将返回-1，并设置 errno 以指示错误原因。

进一步修改上面的代码，在第二个 printf 后面调用 fflush()函数，修改后代码如下所示：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(void)
{printf("Hello World 1\n");printf("Hello World 2");fflush(stdout); //刷新标准输出 stdio 缓冲区for ( ; ; )sleep(1);
}

可以看到，打印了两次“Hello World”， 这就是 fflush()的作用了强制刷新 stdio 缓冲区。运行结果如下：

6.6 关闭与退出时刷新 stdio 缓冲区

当文件关闭时、程序退出时，也会自动刷新 stdio 缓冲区。修改上面的代码，在调用第二个 printf 函数后关闭标准输出，如下所示：

// 关闭文件时刷新 stdio 缓冲区
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(void)
{printf("Hello World!\n");printf("Hello World!");fclose(stdout); //关闭标准输出for ( ; ; )sleep(1);
}

程序退出时也会自动刷新 stdio 缓冲区，修改上面的代码，去掉 for 死循环，让程序结束，修改完之后如下所示：

// 程序结束时刷新 stdio 缓冲区
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>int main(void)
{printf("Hello World!\n");printf("Hello World!");
}