对底层IO的深度总结

前言

本文介绍 stdio 库函数与系统调用 read/write 的核心行为，重点解析缓冲机制对 I/O 操作的影响。

一、read 系统调用

功能：原子地从内核缓冲区（内存）读取数据块到用户缓冲区（内存）。原子——多进程同时调用read也会保证每个进程读取到的数据块是完整的。

具体表格：

总结
read 何时阻塞：

• 1.未设置O_NONBLOCK，
• 2.对象是支持阻塞的设备（终端设备、套接字、管道等）而非普通文件，
• 3.此时内核缓冲区恰好没有数据。

阻塞需同时满足上述三种情况。可以理解为read会等待可能提供数据的设备。其余情况，内核缓冲区一旦有数据块被write写入就一次性搬走并返回数据量，没读到就返回0（EOF/设备关闭）或-1（发生错误）。

二、write 系统调用

功能：原子地将用户缓冲区（内存）的数据块写入内核缓冲区（内存）。原子——多进程同时调用write也能保证每个进程写的数据块是独立的。

关键点：

• write 返回仅表示数据块已提交给内核，不保证已写入磁盘。
• 阻塞模式下，若内核缓冲区满，write 会阻塞；非阻塞模式直接返回 EAGAIN。

三、stdio 库的缓冲机制

1. 输入类函数（如 scanf）

• 何时调用 read：当用户缓冲区无足够数据时触发 read。

• 缓冲影响：

  • 若有用户缓冲区：read 填充库缓冲区，数据按需提取（如 scanf 遇空格/换行停止）。
  • 若无缓冲区（_IONBF）：read 直接填充用户指定内存。

示例对比：

// 例1：关闭缓冲区（_IONBF）
setvbuf(stdin, NULL, _IONBF, 0);
scanf("%s", string);  // read直接填充string，"world"留在内核缓冲区

// 例2：启用缓冲区（默认）
scanf("%s", string);  // read填充库缓冲区，"world"保留在库缓冲区中

2. 输出类函数（如 printf）

• 何时调用 write：由缓冲模式决定：

  缓冲模式	触发条件
  无缓冲（_IONBF）	立即调用 write
  行缓冲（_IOLBF）	遇到换行符或缓冲区满
  全缓冲（_IOFBF）	缓冲区满或手动刷新（fflush）

示例对比：

// 行缓冲（默认）
printf("I'm A.\n");  // 遇换行符立即调用write
write(STDOUT_FILENO, "I'm B.\n", 7);  // 直接输出
// 输出顺序：A → B

// 全缓冲（_IOFBF）
printf("I'm A.\n");  // 缓冲区未满，不调用write
write(STDOUT_FILENO, "I'm B.\n", 7);  // 直接输出
// 输出顺序：B → A（程序退出时刷新缓冲区）

四、close的机制

对于进程打开一个文件而言，有三个关联的数据结构：进程层面的文件描述符表，内核层面的打开文件表，文件系统层面的inode表。
进程层面的文件描述符表记录了fd与fd指向的内核的打开文件表的文件描述（句柄）；
内核层面的打开文件表的每个表项（即文件句柄）记录了当前文件IO操作的偏移量，以及文件在文件系统inode表中的位置（下标）；
文件系统层面的inode表记录了每个文件的元数据，以及记录锁（系统调用fcntl()维护的POSIX锁）。

close(int fd)的作用就是断开文件描述符fd与文件描述（内核维护的打开文件表的表项）的指向关系，并在进程层面的文件描述符表删除这一表项。而内核层面的打开文件表的表项只有没有任何进程的文件描述符指向它的时候才会被删除。

总结

• read/write 就是一个搬运者，可阻塞，也可立即返回。

• stdio 封装了read与write，为用户进程建立缓冲区：

  • 输入类函数：缓冲决定数据暂存位置（库缓冲区或用户内存）。
  • 输出类函数：缓冲决定 write 的触发条件（换行符、缓冲区满或无缓冲）。