如何使用write()或fwrite()将数据写入终端（标准输出stdout）？

Question

我正在尝试加速我的C程序，以更快地输出数据。
目前我使用printf()向外界提供一些数据。它是连续的数据流，因此我无法使用return(data)。

我该如何使用write()或fwrite()将数据输出到控制台而不是文件？

总体而言，我的设置包括使用C编写的程序，其输出进入Python脚本，其中数据进一步处理。我形成了一个管道：

./program_in_c | script_in_python

这样做能够在树莓派上利用更多的处理器内核，从而带来额外的好处。

- smajli

Answer 1

#include <unistd.h>

       ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

write()函数从缓冲区buf开始写入最多count个字节到由文件描述符fd指定的文件中。

在Linux中，标准输出文件描述符至少为1！在调用write系统调用之前，务必使用flush函数清除stdoutput缓冲区，以确保清除所有先前的垃圾。

fflush(stdout); // Will now print everything in the stdout buffer
write(1, buf, count);

使用 fwrite:

size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);

函数fwrite()将由指针ptr指向的位置获取的nmemb个大小为size字节的数据项写入到由指针stream指向的流中。

fflush(stdout);
int buf[8];
fwrite(buf, sizeof(int), sizeof(buf), stdout);

请参考下面的链接阅读man页面以获取更多信息：

fwrite

write

- Adam

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@ryyker- 当然没问题！我正在修正答案。我已将其更改为int，因为我想在这个例子中展示sizeof的用法。谢谢。 - Adam

调用 write 然后是 fflush(stdout) 的顺序是错误的。write 总是立即写入而不缓冲。而 stdout 并不知道这一点。因此，如果您使用了 stdout，您可能需要在调用 write 之前写入缓冲区中的任何内容（通过调用 fflush）。 - user253751

write()与fflush()没有任何关系，恐怕你的回答完全不正确。 - Luis Colorado

@LuisColorado - 感谢您，我已经将fflush移动到前面，以确保在写入之前清除缓冲区中的所有先前垃圾数据。 - Adam

Answer 2

尝试克服已使用的stdio.h包的缓冲系统几乎没有胜利的可能。如果您尝试使用更大的缓冲区和fwrite()，您可能不会节省更多时间，并且会使用比必要更多的内存，因为stdio.h会选择适合写入数据的文件系统的最佳缓冲区大小。

以下简单的程序将显示速度并不重要，因为stdio已经将输出缓冲。

#include <stdio.h>
int
main()
{
    int c;

    while((c = getchar()) >= 0)
        putchar(c);
}

如果您尝试上面和下面的程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int
main()
{
    char buffer[512];
    int n;

    while((n = read(0, buffer, sizeof buffer)) > 0)
        write(1, buffer, n);

    if (n < 0) {
        perror("read");
        return EXIT_FAILURE;
    }

    return EXIT_SUCCESS;
}

你会发现没有显著的差异，甚至第一个程序将更快，尽管它是按字符基础进行I/O。（正如B. Kernighan和Dennis Ritchie在她的《C编程语言》第一版中写的那样）。最可能第一个程序会赢。

调用read()和write()每个都涉及系统调用，缓冲区大小由您决定。单独的getchar()和putchar()调用不是这样。它们只是在打印时将接收到的字符存储在内存缓冲区中，其大小已由stdio.h库实现根据文件系统确定，并且一旦缓冲区充满数据，它就会刷新缓冲区。如果在第二个程序中增加缓冲区大小，您将看到在某个点之前增加缓冲区大小可以获得更好的结果，但是在此之后您将不会看到速度的增加。与涉及实际I/O所需的时间相比，对库进行的调用次数微不足道，并且选择非常大的缓冲区将从系统中消耗大量内存（而Raspberry Pi的内存在这方面是有限制的，最多为1Gb的RAM）。如果由于如此大的缓冲区而进行交换，则将完全输掉比赛。

大多数文件系统都有首选缓冲区大小，因为内核会预先写入（内核在顺序读取时读取比您要求的更多数据，以预测在消耗数据后您将继续阅读），这会影响最佳缓冲区大小。因此，stat(2)系统调用告诉您什么是最佳缓冲区大小，并且当stdio选择实际缓冲区大小时使用它。

不要认为你会比上面第一个程序表现得更好（或更好）。即使您使用足够大的缓冲区。

错误或无效的是混合调用进行缓冲处理（例如所有stdio包的调用）和不缓冲数据的基本系统调用（如read(2)或write(2) ---因为我看到建议您在write(2)之后使用fflush(3)，这是完全不连贯的---没有收益（如果您部分使用printf(3)，部分使用write(2)（这在您计划执行的管道中更常见），则可能会导致输出不正确地排序，因为缓冲区不是行定向的 ---这是stdio中缓冲输出的另一个特性---）

最后，我建议您阅读Dennis Ritchie和Rob Pike的“Unix编程环境”。它将教您很多Unix知识，但其中一个非常好的事情是，它将教您完美地使用stdio包和unix文件系统调用进行读写。带着一点运气，您会在互联网上找到它的.pdf。

下面的程序向您展示了缓冲的效果：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int
main()
{
    int i;
    char *sep = "";

    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%s%d", sep, i);
        sep = ", ";
        sleep(1);
    }
    printf("\n");
}

假设你将在终端上看到（程序中）写出由标记0到9的数字，以,分隔，并以一秒为间隔。

但由于缓冲区，所观察到的与此相当不同。你会看到你的程序等待了10秒钟，而没有在终端上写任何东西，最后，在程序终止时，它一次性地写下所有内容，包括最后的行结束符号，此时shell再度显示提示符。

如果您将程序更改为以下内容:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int
main()
{
    int i;
    char *sep = "";

    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%s%d", sep, i);
        fflush(stdout);
        sep = ", ";
        sleep(1);
    }
    printf("\n");
}

你会看到预期的输出，因为你告诉了 stdio 在每次循环经过时刷新缓冲区。在两个程序中，你都调用了10次printf(3)，但仅有一个write(2)在最后写入整个缓冲区。在第二个版本中，你强制 stdio 每次printf之后做一个这样的write(2)，从而显示程序通过循环时的数据输出情况。

要小心了，因为另一个与stdio相关的特性可能会让你感到困惑，当你向终端设备打印时，printf(3)会在每个\n处刷新输出，但当你将其通过管道运行时，它只在缓冲区完全填满时才这样做。这样可以节省系统调用（例如，在FreeBSD中，stdio选择的缓冲区大小约为32kb，足够强制两个块write(2)并且达到最优效果（超过该大小你将不会获得更好的效果）。

- Luis Colorado

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我的天啊，我知道的太少了！感谢您深入的回答。看来我的方法完全不好，试图通过这种方式传递数据。您能否建议什么比这更好？请注意，这是一个实时数据流。我应该尝试将其保存到文件中（在C程序中），并同时从文件中读取（使用Python）吗？如果它增长得太多怎么办（我需要传输3个字节x 2100 SPS x 3个通道）？是否可以使用内存创建管道作为媒介？我这里不需要完整的答案，只需要一个提示，我会自己探索和寻找更多的知识/解决方案。 - smajli

管道通常用于这种数据流。最好使用管道，但不必担心用于打印数据的例程。只需使用stdio输出格式化的流，并从下一个进程中读取它。使用管道时，数据通常不会存储到磁盘中。 - Luis Colorado

Answer 3

C语言中的控制台输出几乎与文件相同。一旦您包含了stdio.h，就可以在控制台输出上写入，名称为stdout（代表“标准输出”）。最终，以下语句：

printf("hello world!\n");

等同于：

char str[] = "hello world\n";

fwrite(str, sizeof(char), sizeof(str) - 1, stdout);
fflush(stdout);

- eliottness

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根据定义，sizeof(char) 总是为 1。（在使用“总是”这个词比较安全的少数几个地方之一 :) ） - ryyker

@ryyker 当然是1。但我的首要目标是使我的答案易于理解和实质性的。x) - eliottness

不太对，你的第二段代码片段也会写入一个0字节。fflush是否需要？ - user253751