linux 之文件基础 (三)、标准IO的两个概念：流、缓冲区
1. 标准IO的一些概念
文件IO中使用了文件描述符的概念，但是并不是所有操作系统都提供文件描述符这样抽象的机制。因此 文件IO 的那一套函数，可以在类unix系统下使用。但是换做别的系统，就没有了文件描述符的概念。而c标准库，为我们提供了一套函数叫做标准IO。无论在什么系统上，我们都可以使用标准IO 所提供的函数。标准IO相当于在所有的操作系统的实现上提供了一层封装，使用标准IO 函数 进行IO操作时，在不同的操作系统上是兼容的。
标准IO提供了两方面的封装：
- 操作对象 – FILE*: 封装了不同OS对文件的实现，
- 封装了缓存支持和优化。
类似于我们操作文件IO时，操作的是一个文件描述符。我们操作标准IO时，是围绕流进行操作的。
2. 流的概念
在C中引入了流(stream)的概念。它将数据的输入输出看作是数据的流入和流出，这样不管是磁盘文件或者是物理设备(打印机、显示器、键盘等),都可看作一种流的源和目的，视他们为同一种东西，而不管其具体的物理结构，即对他们的操作，就是数据的流入和流出。这种把数据的输入输出操作对象，抽象化为一种流，而不管它的具体结构的方法很有利于编程，而涉及流的输出操作函数可用于各种对象，与其具体的实体无关，即具有通用性。
2.1对于输入和输出流的理解
- 数据是流入和流出的对象，加如数据是水。
- 存储的目标（比如一个文件）当做水池，链接水池和外界的是水管，这个水管往水池里灌水，或者把水池里的水泵出来，形成“流”。
- 往里灌水（写文件）时，对于水管（流）来说，是“将水管里的水输出到水池里”，此时对于流来说是输出流；
- 往外排水（读文件）时，对于水管（流）来说，是“将水池里的水输入到水管里”，此时对于流来说是输入流。
一开始总是站在水池的角度，总是想不明白，站在水管的角度就明白了。
2.2流的分类
在C中流可分为两大类，即文本流(text stream)和二进制流(binary stream)。
2.2.1 文本流
所谓文本流是指在流中流动的数据是以字符形式出现。在文本流中，’\n’被换成回车CR和换行LF的代码0DH和0AH。而当输出时，则0DH和0AH本换成’\n’。
2.2.2 二进制流
二进制流是指流动的是二进制数字序列，若流中有字符，则用一个字节的二进制ASCII码表示，若是数字，则用一个字节的二进制数表示。在流入流出时，对\n符号不进行变换。例如2001这个数，在文本流中用其ASCII码表示为：‘2’ ‘0’ ‘0’ ‘1’，共占4字节。 但是在二进制流中为其二进制形式：00000111 11010001 用十六进制就是07D1。只占两字节。
2.3 操作系统如何标识一个流
2.3.1 FILE 结构体
在操作系统内部，用一个结构体对象标识一个流，结构体对象里面记录了这个流的相关信息。 这个结构体的名字叫FILE。这个结构体有以下字段
- 缓冲区类型
- 当前读指针
- 末尾指针
- …
这样的结构体是操作系统帮我们创建的，而我们要操作这个结构体，就要知道这个结构体的位置，而FILE * 指针就是指向这个结构体的指针。当采用fopen 打开一个流时会返回一个指向流对象的指针，指针类型为FILE *
2.3.2 FILE指针
每个被使用的文件都在内存中开辟一个区域，用来存放文件的有关信息，这些信息是保存在一个结构体类型的变量中，该结构体类型是由标准IO库定义的，取名为FILE。FILE封装了系统调用中的文件描述符的概念，所以标准IO中的函数不会直接操作文件描述符。同理：FILE屏蔽了操作系统的差别（标准IO不用文件描述符也是为了屏蔽OS的概念，用FILE这个抽象的概念。而文件描述符绝对是个UNIX/LINUX的概念。）。
2.3 标准I/O预定义的3个流
一个进程启动的时候，会打开三个流：
- 标准输入 stdin
- 标准输出 stdout
- 标准出错 stderr
3. 缓冲的概念
3.1 为什么设置缓冲
- 从效率的角度考虑，避免频繁地呼叫系统调用(read、write)；其次缓冲区大小的设置在不同OS上是有技术的，标准库为我们做了优化选择。
- 从安全角度考虑：用户态到内核态的切换。频繁的切换是不安全的。
系统自动的在内存里面为每一个正在使用的文件开辟一个缓冲区，从内存向磁盘输出数据必须先送到内存缓冲区，装满缓冲区，在一起送到磁盘里面。从内存向磁盘读取数据，则一次从磁盘文件中将一批数据读到内存缓冲区中，然后再从缓冲区中将数据送到程序的数据区。
例如：需要将1024 个字节写到文件中去，每次写一个字节。
如果是文件IO，则要进行1024次 写操作，将1024个字节挪到内核，然后到磁盘。
如果使用标准IO的话，会现将数据写到缓冲区中，然后等到缓冲区慢了，或者刷新了缓冲区，才整体将这些数据写入磁盘。只执行一次写操作即可，一次数据挪动即可。
3.2 标准IO 缓冲区分类
标准IO函数是根据文件流关联的设备类型，会选择采用何种缓冲区的操作方式。分类如下：
- 全缓冲区
这种缓冲区要求填满整个缓冲区后才进行I/O 系统调用操作。对于磁盘文件通常使用全缓冲区访问。第一次执行I/O 操作时，ANSI标准的文件管理函数通过调用malloc 函数获得需使用的缓冲区。linux默认大小为4096字节。有两种方式可以刷新缓冲区：(1)ffush() (2) 缓冲区满 - 行缓冲区
在这种情况下，当在输入和输出中遇到换行符时，标准I/O库执行I/O系统调用操作。当流涉及一个终端时（例如标准输入和标准输出），使用行缓冲区。因为标准I/O库收集的每行的缓冲区长度是固定的，只要填满了缓冲区，即使还没有遇到换行符也将执行I/O 系统调用操作。默认行缓冲区大小为1024 字节。有三种方式可以刷新缓冲区：(1)ffush() (2) 缓冲区满(3) 遇到\n - 无缓冲区：
标准I/O 库不对字符进行缓存。如果用标准I/O 函数写若干字符到不带 缓冲区的流中，则相当于用write系统调用函数将这些字符写至相关联的打开文件。标准出错流stderr 通常是不带缓冲区的，这使得出错信息能够尽快地显示出来。
注意：
- 缓冲区是通过malloc申请的空间
- 申请的实际，是发生I/O操作的时候
- 进程结束会默认刷新缓冲区。
