Unix/Linux编程实践教程阅读笔记-who指令实现的优化-来自第二章P48-P54的笔记

在读它之前，需要先掌握who指令的基本实现原理，参考我之前的文章：

https://www.cnblogs.com/czw52460183/p/10999434.html

怎么优化它的实现？答案是利用缓冲区。

在讲述具体方法之前，需要补充一点缓冲区的前置知识：

　　我们平时讲的缓冲区，基本指的是进程缓冲区，它位于用户空间，但其实，为了提高效率，内核也会使用缓冲区，这就是内核缓冲区。

　　当进程要从磁盘读取数据时，按照之前的讲法，就会直接进行系统调用，切换到内核态并从磁盘读取数据。但其实内核一般不直接读磁盘，而是将内核缓冲区的数据复制到进程的缓冲区中。

　　当进程请求的数据不在内核缓冲区时，内核把对应的数据块加入到请求列表中，随后挂起该进程，并为其它进程服务。很短时间过去后，内核把对应的数据块从磁盘读到内核缓冲区，随后把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区，并唤醒被挂起的进程。

　　之前在CSAPP笔记的第九章中(链接：https://www.cnblogs.com/czw52460183/p/10865447.html)，我们展示过虚拟地址空间的结构图。

　　那么这个内核缓冲区位于虚拟地址空间的哪个部分呢？堆区？栈区？

　　我并没有查到相关资料描述其具体位置，但我的推测是：内核缓冲区属于内核，那它应该是存在于进程虚拟地址空间中属于内核的那一部分。还记得吗？之前说过每个进程虚拟地址空间的最上方，就是栈的上方，存放的是内核常驻与内存的部分，里面有内核栈的，我认为这个内核缓冲区对应的是这块地方。当然，只是猜测，如果以后发现有不对的地方，我再来纠正。

　　当内核缓冲区的数据积累够一定数量后，才会一次写入磁盘，在这期间万一断电了，数据会丢失。

　　附上一份内核缓冲区的参考文章：https://www.zhihu.com/question/30868347?sort=created

　　

　　现在介绍下进程缓冲区，即用户缓冲区，在https://www.cnblogs.com/czw52460183/p/10999434.html中，我们提到过，fgetc函数的缓冲是基于用户空间的，其实它就是用了用户缓冲区作了优化比如用fgetc读一个字节，fgetc有可能从内核中预读1024个字节到I/O缓冲区中，再返回第一个字节，这时该文件在内核中记录的读写位置是1024，而在FILE结构体中记录的读写位置是1。

　　而之前我们提到read函数是底层的系统调用，它的缓冲是基于内核空间的，相当于它有内核缓冲区，但它没有用户空间的缓冲机制。

　　进一步了解可参考文章：https://www.cnblogs.com/NeilHappy/archive/2013/03/12/2955552.html

　　

　　在之前的文章中(https://www.cnblogs.com/czw52460183/p/10999434.html)，我们在实现who指令时发现Mac下对读取utmpx作了封装，直接读取该文件并解析会出现乱码。虽然不知道为什么它会做这样的封装，但我们可以推测一下：我认为它可能是为了通过封装实现一个基于用户缓冲的优化。

　　由于read没有用户缓冲机制，因此直接用read读取utmpx需要对结构体数组中的每一个结构体单独读取，我们可以在用户空间构造一片缓冲区，每次read从内核缓冲区读取多个utmpx结构体，存放在用户缓冲区中，随后封装一个方法，为外部提供下一个结构体，当数据被取完，则再次调用read。

　　

　　由于Mac下极有可能已经对读取utmpx作了封装，所以我们无法验证这个优化缓冲机制了，这里给一下书上的代码吧，我也懒得装Linux去尝试了，有条件的自己试吧。

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <utmp.h>

//缓冲区参数
#define NRECS 16
#define UTSIZE (sizeof(struct utmp))
//结构化的返回参数
#define NULLUT ((struct utmp*)NULL)

//用户缓冲区
static char utmpbuf[NRECS * UTSIZE];
//缓冲区实际存储的utmp结构体数量
static int num_recs;
//缓冲区中下一个要读取的utmp结构体序号
static int cur_rec;
//文件描述符
static int fd_utmp;

//打开文件并初始化读取序号
int utmp_open(char *filename)
{
    fd_utmp = open(filename,O_RDONLY);
    cur_rec = num_recs = 0;
    return fd_utmp;
}

//加载下一批结构体到缓冲区,并返回实际加载的数量
int utmp_reload()
{
    //实际读取字节数
    int amt_read;
    amt_read = read(fd_utmp,utmpbuf,NRECS*UTSIZE);
    //更新实际读取到的结构体数量
    num_recs = amt_read/UTSIZE;
    //重置当前要读取的结构体序号
    cur_rec = 0;
    return num_recs;
}


//获取下一个utmp结构体
struct utmp *utmp_next()
{
    struct utmp *recp;
    //打开文件出错
    if(fd_utmp == -1)
    {
        return NULLUT;
    }
    //当缓冲区读完且加载不到新结构体时，返回空
    if(cur_rec == num_recs && utmp_reload() == 0)
    {
        return NULLUT;
    }
    //从缓冲区获取下一个结构体
    recp = (struct utmp *) &utmpbuf[cur_rec * UTSIZE];
    //更新下一个要读取结构体序号
    cur_rec++;
    return recp;
}

//关闭文件
void utmp_close()
{
    //只有文件被打开成功才需要关闭
    if(fd_utmp != -1)
    {
        close(fd_utmp);
    }
}

　　这个文件实现了对获取下一个utmp结构体的缓冲区优化封装，配合上一章写的main函数使用，稍微修改下即可，main函数就不贴出来了。