缓存分类

块缓存

一般用于访问真正的磁盘文件。C库会为文件访问申请一块内存，只有当文件内容将缓存块填满或执行冲刷函数flush时，C库才会将缓存内容写入内核中。
行缓存

一般用于访问终端。当遇到一个换行符时，就会引发真正的I/O操作。需要注意的是，C库的行缓存也是固定大小的。因此，当缓存已满，即使没有换行符时也会引发I/O操作。
无缓存

C库没有进行任何的缓存。任何C库的I/O调用都会引发实际的I/O操作。

标准输入输出的默认缓存机制

stdio.h 中声明了 stdin 、stdout 和 stderr 的全局变量以及对应的宏:

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typedef struct _IO_FILE FILE;
/* Standard streams.  */
extern struct _IO_FILE *stdin;      /* Standard input stream.  */
extern struct _IO_FILE *stdout;     /* Standard output stream.  */
extern struct _IO_FILE *stderr;     /* Standard error output stream.  */

#ifdef __STDC__
/* C89/C99 say they're macros.  Make them happy.  */
#define stdin stdin
#define stdout stdout
#define stderr stderr
#endif

可以看出 stdin stdout stderr 其实就是文件指针, 它们的定义代码如下:

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_IO_FILE *stdin = (FILE *) &_IO_2_1_stdin_;
_IO_FILE *stdout = (FILE *) &_IO_2_1_stdout_;
_IO_FILE *stderr = (FILE *) &_IO_2_1_stderr_;

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DEF_STDFILE(_IO_2_1_stdin_, 0, 0, _IO_NO_WRITES);
DEF_STDFILE(_IO_2_1_stdout_, 1, &_IO_2_1_stdin_, _IO_NO_READS);
DEF_STDFILE(_IO_2_1_stderr_, 2, &_IO_2_1_stdout_, _IO_NO_READS+_IO_UNBUFFERED);

DEF_STDFILE 是一个宏定义，用于初始化 C 库中的 FILE 结构。从源码上就可以看到3个标准输入输出的差异：

stdin: 文件描述符为 0, 不可写(_IO_NO_WRITES)
stdout: 文件描述符为 1, 不可读(_IO_NO_READS)
stderr: 文件描述符为 2, 不可读(_IO_NO_READS)

通常，所有文件都是块缓冲的。当文件上发生第一个I/O操作时，将调用 malloc 并获得一个最优大小的缓冲区。
如果一个流指向一个终端(比如通常的 stdout)，那么它就是行缓冲的。标准错误流 stderr 总是未缓冲的。

从源码中的定义也能看出, stderr 在定义时还追加了 IO_UNBUFFERED，表示无缓冲。

C库接口

C库提供了接口，用于修改默认的缓存行为:

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void setbuf(FILE *restrict stream, char *restrict buf);
void setbuffer(FILE *stream, char *buf, int size);
int setlinebuf(FILE *stream);
int setvbuf(FILE *restrict stream, char *restrict buf, int type, size_t size);

前3个接口内部都调用了 setvbuf 接口, 所以主要看 setvbuf 接口就行。

当 size 参数设为 0 时，代表使用默认的最优大小缓冲区分配
当 size 不为 0 时，除了未缓冲的文件，buf 参数应该指向一个至少有 size 大小的缓冲区; 如果 buf 不为空，则调用方必须在流关闭后自己释放该缓冲区
当 size 不为 0，但 buf 为 NULL 时，则库会自动分配给定大小的缓冲区，并且自动在流关闭时释放

例子

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//c_lib_io_cache.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
	printf("Hello ");
	if(0 == fork()) {
		printf("child\n");
		return 0;
	}
	printf("parent\n");
	return 0;
}

上述代码执行后：

▶ gcc c_lib_io_cache.c -o main.o && ./main.o
Hello parent
Hello child

因为 stdout 在终端默认为行缓存，所以最开始执行 printf("Hello ") 时并没有触发真正的输出, Hello 只被写到了父进程的 stdout 的内存缓存中，当父进程通过 fork 创建子进程之后, 子进程的内存空间也拥有和父进程一样的内容，所以子进程调用 printf("child\n") 时，连带自己 stdout 缓存空间中的 Hello 一起输出了。

下面通过两种方式去避免上述问题的出现:

强制立即输出到 stdout

在父进程 printf("Hello ") 后调用 fflush(stdout) 强制立即输出到 stdout

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//...
printf("Hello ");
fflush(stdout);
//...

▶ gcc c_lib_io_cache.c -o main.o && ./main.o
Hello parent
child

修改 stdout 的缓存大小

在 printf("Hello ") 前调用 setbuffer 将 stdout 的缓存大小设为 1 个字节

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//...
setbuffer(stdout, NULL, 1);
printf("Hello ");
//...

▶ gcc c_lib_io_cache.c -o main.o && ./main.o
Hello parent
child

虽然第2种方式也实现了目的，但是将行缓存大小设为1个字节，终究不是最优方法，没有利用到缓存机制。所以最佳应该方法应该是第一种利用 fflush 强制 IO 同步。

C库的IO缓存机制

缓存分类

标准输入输出的默认缓存机制

C库接口

例子