主要讨论文件I/O和标准I/O这两种I/O方式的数据缓冲问题。
1、文件I/O的内核缓冲
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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之间复制数据。
1、write后将数据从用户空间拷贝到内核空间缓冲区，拷贝完成之后就返回了。之后再后面 的某一个时刻内核会将其缓冲区中的数据写入到磁盘设备中。
2、 读文件时候，内核从磁盘设备中读取数据到内核的缓冲区中，之后调用read函数读取数据时候，read（）调用将从内核缓冲区中读取数据到用户空间缓冲区。
上面可以看到，系统调用和磁盘的操作并不是同步的
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好处1：我们把上面提到的内核缓冲区称作文件IO的内核缓冲。因为磁盘的读写操作是很缓慢的，我们加入了IO的内核缓冲区是为了不需要等待磁盘的操作，让文件IO的速度和效率提高。
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好处2：因为我们有缓冲区，我们可以积累到一定的文件大小来一把写入，大大降低了对磁盘操作的次数
2、将内核缓冲区的数据强制更新到磁盘上
- 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
- 当我们在Ubuntu 系统下拷贝文件到U盘时，文件拷贝完成之后，通常在拔掉 U盘之前，需要执行sync命令进行同步操作，这个同步操作其实就是将文件 I/O 内核缓冲区中的数据更新到 U 盘硬件设备，所以如果在没有执行 sync 命令时拔掉 U 盘，很可能就会导致拷贝到 U 盘中的文件遭到破坏！
- 控制文件IO内核的系统调用API
/*
@ 头文件： #include <unistd.h>
@ 系统调用fsync()将参数 fd所指文件的内容数据和元数据写入磁盘，只有在对磁盘设备的写入操作完成之后，fsync()函数才会返回，
@ 元数据并不是文件内容本身的数据，而是一些用于记录文件属性相关的数据信息，譬如文件大小、时间戳、权限等等信息，这里统称为文件的元数据，这些信息也是存储在磁盘设备中的(inode结构体)
@ 参数fd表示文件描述符
@ 函数调用成功将返回0，失败返回-1并设置errno以指示错误原因
*/
int fsync(int fd);
/*
@ fdatasync()函数
@ 头文件： #include <unistd.h>
@ fdatasync()仅将参数 fd 所指文件的内容数据写入磁盘，并不包括文件的元数据
@ 只有在对磁盘设备的写入操作完成之后，fdatasync()函数才会返回
*/
int fdatasync(int fd);
/*
@ 头文件 #include <unistd.h>
@ 系统调用sync()会将所有文件 I/O 内核缓冲区中的文件内容数据和元数据全部更新到磁盘设备中，该函数没有参数、也无返回值，意味着它不是对某一个指定的文件进行数据更新，而是刷新所有文件 I/O内核缓冲区
*/
void sync(void);
- 在程序中频繁调用 fsync()、fdatasync()、sync()，对性能的影响极大，大部分的应用程序是没有这种需求的
3、直接IO，绕过内核缓冲区
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fd = open(filepath, O_WRONLY | O_DIRECT); //O_DIRECT直接IO标志
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从用户空间直接将数据传递到文件或磁盘设备，把这种操作也称为直接 I/O（direct I/O）或裸 I/O（raw I/O）。
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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。因为没有缓冲区的优化。场景：测试磁盘设备的读写速率。，不经过内核缓冲区直接怼上磁盘。
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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：
1、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；（内存是以字节读写的，而磁盘是以块为大小来读写单位的）2、写文件时，文件的位置偏移量必须是块大小的整数倍
3、写入到文件的数据大小必须是块大小的整数倍。
常见的块大小（512字节、1024字节、2048字节以及4096字节）
使用命令行 tune2fs -l /dev/sda1 | grep “Block size” 可以查看磁盘分区块的大小。
4、标准IO缓冲stdio
- 虽然标准 I/O是在文件I/O基础上进行封装而实现（譬如 fopen内部实际上调
用了 open、fread内部调用了 read等），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
- 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。
- 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
/*
@ #include <stdio.h>
@ 调用 setvbuf()库函数可以对文件的 stdio 缓冲区进行设置，譬如缓冲区的缓冲模式、缓冲区的大小、起始地址等
@ stream：FILE指针，用于指定对应的文件，每一个文件都可以设置它对应的 stdio缓冲区
@ buf：
如果参数buf不为NULL，那么buf指向size大小的内存区域将作为该文件的 stdio缓冲区，因为
stdio 库会使用buf指向的缓冲区，所以应该以动态（分配在堆内存，譬如 malloc，在 7.6小节介绍）或静态的方式在堆中为该缓冲区分配一块空间，而不是分配在栈上的函数内的自动变量（局部变量）。如果buf等于 NULL，那么 stdio 库会自动分配一块空间作为该文件的 stdio 缓冲区（除非参数 mode 配置为非缓冲模式）
@ mode：参数mode用于指定缓冲区的缓冲类型，
_IONBF：不对I/O 进行缓冲（无缓冲）。
_IOLBF：采用行缓冲 I/O=====默认模式
_IOFBF： 采用全缓冲 I/O。
@ size：指定缓冲区的大小。
@ 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。
@ 需要注意的是，当stdio 缓冲区中的数据被刷入到内核缓冲区或被读取之后，这些数据就不会存在于缓冲区中了，数据被刷入了内核缓冲区或被读走了
*/
int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);
/*
@ #include <stdio.h>
@ 相当于： setvbuf(stream, buf, buf ? _IOFBF : _IONBF, BUFSIZ);
@ 要么将 buf 设置为 NULL 以表示无缓冲，要么指向由调用者分配的 BUFSIZ 个字节大小的缓冲区
*/
void setbuf(FILE *stream, char *buf);
/*
@ #include <stdio.h>
@ etbuffer()函数类似于setbuf()，但允许调用者指定 buf缓冲区的大小
@ 就相当于： setvbuf(stream, buf, buf ? _IOFBF : _IONBF, size);
*/
void setbuffer(FILE *stream, char *buf, size_t size);
/*
@ 刷新 stdio缓冲区
@ 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（将输出到 stdio缓冲区中的数据写入到内核缓冲区，通过 write()函数）stdio 缓冲区，该函数会刷新指定文件的 stdio 输出缓冲区
@ #include <stdio.h>
@ 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
@ 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
*/
int fflush(FILE *stream);
/*
@ 关闭文件时刷新stdio缓冲区
*/
fclose(stdout); //关闭标准输出
5、IO缓冲总结
主要部分是：
用户区、（标准IO）stdio缓冲区（文件IO）内核IO缓冲区、磁盘设备
6、fd文件描述符与FILE*文件指针
- 之前说过，文件IO利用系统调用API围绕着fd转，
标准IO利用标准库函数围着FILE*指针转 - 在应用程序中，在同一个文件上执行I/O操作时，还可以将文件 I/O（系统调用 I/O）与标准I/O 混合使用，这个时候我们就需要将文件描述符和 FILE 指针对象之间进行转换。借助于库函数 fdopen()、fileno()来完成。
/*
@ #include <stdio.h>
@ 库函数 fileno()可以 FILE* ? fd
@ 通过返回值得到文件描述符，如果转换错误将返回-1，并且会设置 errno来指示错误原因
*/
int fileno(FILE *stream);
/*
@ FILE *fdopen(int fd, const char *mode);
@ fdopen()则进行着 fd==>FILE*
@ 若该参数与文件描述符 fd的访问模式不一致，则会导致调用 fdopen()失败
*/
FILE *fdopen(int fd, const char *mode);
- 当混合使用文件I/O和标准 I/O时，需要特别注意缓冲的问题，文件I/O会直接将数据写入到内核缓冲区进行高速缓存，而标准 I/O 则会将数据写入到stdio缓冲区，之后再调用write()将 stdio缓冲区中的数据写入到内核缓冲区。