關於C中I/O緩衝區的解釋

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使用者程式調用C標準I/O庫函數讀寫檔案或裝置，而這些庫函數要通過系統調用把讀寫請求傳給核心，最終由核心驅動磁碟或裝置完成I/O操作。C標準庫為每個開啟的檔案分配一個I/O緩衝區以加速讀寫操作，通過檔案的 FILE結構體可以找到這個緩衝區，使用者調用讀寫函數大多數時候都在I/O緩衝區中讀寫，只有少數時候需要把讀寫請求傳給核心。以 fgetc/ fputc為例，當使用者程式第一次調用 fgetc讀一個位元組時， fgetc函數可能通過系統調用進入核心讀1K位元組到I/O緩衝區中，然後返回I/O緩衝區中的第一個位元組給使用者，把讀寫位置指向I/O緩衝區中的第二個字元，以後使用者再調 fgetc，就直接從I/O緩衝區中讀取，而不需要進核心了，當使用者把這1K位元組都讀完之後，再次調用 fgetc時， fgetc函 數會再次進入核心讀1K位元組到I/O緩衝區中。在這個情境中使用者程式、C標準庫和核心之間的關係就像CPU、Cache和記憶體之間的關係一樣，C標準庫之 所以會從核心預讀一些資料放在I/O緩衝區中，是希望使用者程式隨後要用到這些資料，C標準庫的I/O緩衝區也在使用者空間，直接從使用者空間讀取資料比進核心 讀資料要快得多。另一方面，使用者程式調用 fputc通常只是寫到I/O緩衝區中，這樣 fputc函數可以很快地返回，如果I/O緩衝區寫滿了， fputc就通過系統調用把I/O緩衝區中的資料傳給核心，核心最終把資料寫回磁碟。有時候使用者程式希望把I/O緩衝區中的資料立刻傳給核心，讓核心寫回裝置，這稱為Flush 操作，對應的庫函數是 fflush， fclose函數在關閉檔案之前也會做Flush操作。

以fgets/fputs示意了I/O緩衝區的作用，使用fgets/fputs函數時在使用者程式中也需要分配緩衝區（圖中的buf1和buf2），注意區分使用者程式的緩衝區和C標準庫的I/O緩衝區。

 

 C標準庫的I/O緩衝區：

C標準庫的I/O緩衝區有三種類型：全緩衝、行緩衝和無緩衝。當使用者程式調用庫函數做寫操作時，不同類型的緩衝區具有不同的特性。

全緩衝

如果緩衝區寫滿了就寫回核心。常規檔案通常是全緩衝的。

行緩衝

如果使用者程式寫的資料中有分行符號就把這一行寫回核心，或者如果緩衝區寫滿了就寫回核心。標準輸入和標準輸出對應終端裝置時通常是行緩衝的。

無緩衝

使用者程式每次調庫函數做寫操作都要通過系統調用寫回核心。標準錯誤輸出通常是無緩衝的，這樣使用者程式產生的錯誤資訊可以儘快輸出到裝置。

下面通過一個簡單的例子證明標準輸出對應終端裝置時是行緩衝的。

#include <stdio.h>int main(){  printf("hello world");  while(1);  return 0;}

運行這個程式，會發現hello world並沒有列印到螢幕上。用Ctrl-C終止它，去掉程式中的while(1);語句再試一次：

$ ./a.outhello world$

hello world被列印到螢幕上，後面直接跟Shell提示符，中間沒有換行。

我們知道main函數被啟動代碼這樣調用：exit(main(argc, argv));。main函數return時啟動代碼會調用exit，exit函數首先關閉所有尚未關閉的FILE *指標（關閉之前要做Flush操作），然後通過_exit系統調用進入核心退出當前進程。

　　　　在上面的例子中，由於標準輸出是行緩衝的，printf("hello world");列印的字串中沒有分行符號，所以只把字串寫到標準輸出的I/O緩衝區中而沒有寫回核心（寫到終端裝置），如果敲Ctrl-C，進程是異常終止的，並沒有調用exit，也就沒有機會Flush I/O緩衝區，因此字串最終沒有列印到螢幕上。如果把列印語句改成printf("hello world\n");，有分行符號，就會立刻寫到終端裝置，或者如果把while(1);去掉也可以寫到終端裝置，因為程式退出時會調用exitFlush所有I/O緩衝區。在本書的其它例子中，printf列印的字串末尾都有分行符號，以保證字串在printf調用結束時就寫到終端裝置。

我們再做個實驗，在程式中直接調用_exit退出。

#include <stdio.h>#include <unistd.h>int main(){  printf("hello world");  _exit(0);}

結果也不會把字串列印到螢幕上，如果把_exit調用改成exit就可以列印到螢幕上。

除了寫滿緩衝區、寫入分行符號之外，行緩衝還有一種情況會自動做Flush操作。如果：

• 使用者程式調用庫函數從無緩衝的檔案中讀取

• 或者從行緩衝的檔案中讀取，並且這次讀操作會引發系統調用從核心讀取資料

那麼在讀取之前會自動Flush所有行緩衝。例如：

#include <stdio.h>#include <unistd.h>int main(){  char buf[20];  printf("Please input a line: ");  fgets(buf, 20, stdin);  return 0;}

雖然調用printf並不會把字串寫到裝置，但緊接著調用fgets讀一個行緩衝的檔案（標準輸入），在讀取之前會自動Flush所有行緩衝，包括標準輸出。

如果使用者程式不想完全依賴於自動的Flush操作，可以調fflush函數手動做Flush操作。

#include <stdio.h>int fflush(FILE *stream);傳回值：成功返回0，出錯返回EOF並設定errno

對前面的例子再稍加改動：

#include <stdio.h>int main(){  printf("hello world");  fflush(stdout);  while(1);}

雖然字串中沒有換行，但使用者程式調用fflush強制寫回核心，因此也能在螢幕上列印出字串。fflush函數用於確保資料寫回了核心，以免進程異常終止時遺失資料。作為一個特例，調用fflush(NULL)可以對所有開啟檔案的I/O緩衝區做Flush操作。

 

 

 

 

總結一下：C語言中的I/O緩衝區是這樣的：

對於printf函數，行緩衝，每次輸出有分行符號或輸出超過緩衝區大小的資料時，會在螢幕上輸出資料。

有兩個例外：1.當從無緩衝檔案（或資料流）中讀資料輸出；

                       2.當printf後跟了scanf，由於scanf是行緩衝流，而且調用scanf會引發系統寫資料到內

　　　　           核，所以printf會自動flush。

對於scanf函數，行緩衝，每次輸入時會把資料連同末尾的分行符號送進緩衝區，然後緩衝區會有一個“指標”，始終指向當前讀到的那個字元（即“當前字元指標”）。當把字元從緩衝區中送入記憶體中的具體變數中時，清除緩衝區中的該字元。（敲斷行符號輸入的分行符號在緩衝區中當做空格符‘  ‘處理）。值得注意的是，每次scanf時，先檢測緩衝區的“當前字元指標”之後是否有未讀字元。

　這樣，連續scanf  %c資料時，就有可能把資料尾的分行符號直接賦給接下來本要輸入的字元變數。

舉例：（思考）

一個小程式，其中有以下幾句：

char c1,c2;

scanf("%c",&c1);

printf("%c",c1);

scanf("%c",&c2);

printf("%c",c2);

這樣，run以後，輸入c1，敲斷行符號以後就不能輸入c2，程式直接結束了，為什嗎？

 

後來修改一下，

把“scanf("%c",&c2);

        printf("%c",c2);”改成了：

scanf("%s",&c2);

printf("%c",c2);

卻可以，為什嗎？%s和%c有什麼不同？（%s讀取第一個非Null 字元）

 

 

還有一種方法：
scanf（"%c",&ch);改為scanf（"%c",&ch);%c前面加一個空格，這是為什嗎？

 

 

 

有還不清楚的請直接在留言中提問，謝謝。