用户空间缓冲区和内核空间缓冲区

Question

我最近在学习Linux文件系统。我了解到，当我们调用fopen()函数时，库函数会调用malloc()函数为FILE结构体分配空间，在这个FILE结构体中会有一个I/O缓冲区。但后来我发现，写入系统调用实际上是将数据写入内核缓冲区，那么这两个缓冲区有什么区别呢？

- Louis Kuang

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不要介意，你需要先有一本书来阅读。 - Sourav Ghosh

我有一本书，叫做《高级UNIX编程》。只是想把事情搞清楚。 - Louis Kuang

Answer 1

你必须理解两件事情：fwrite()是一个操作FILE结构的标准库例程，而write()是一个系统调用。我打赌fwrite()在内部使用write()。没有什么能阻止fwrite()提供用户空间IO缓冲，直到它准备好将你的数据传递给write()系统调用。 write()系统调用直接进入内核并说：“嘿，内核，我有一个用户空间缓冲区在这里。你能写入存储器吗？” 对于内核来说，接下来该做什么取决于内核：它要么直接访问存储器以写入数据，要么（最有可能的情况）将数据复制到内核缓冲区，直到它决定修改存储器数据为止。

回到你的问题。为了推迟转向更昂贵的操作，进行任何类型的缓冲都是为了累积数据：标准库可能会考虑在每个len字节时调用系统调用，内核则认为在每次系统调用时访问硬盘是昂贵的等等。

你可能想阅读这篇文章来了解缓冲到达的程度：https://fgiesen.wordpress.com/2015/10/25/reading-and-writing-are-less-symmetric-than-you-probably-think/

- Igor S.K.

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库函数是有自己的缓冲区还是缓冲区在文件结构中？ - Louis Kuang

我猜它是在FILE结构体中。注意，库缓冲IO是基于每个文件的。为了执行其每个文件的工作，它会提供一些不透明的FILE *文件句柄给应用程序，这样当您调用库函数时，需要将该句柄传入。此句柄向例程指示了执行任务所需知道的一切（包括缓冲）。 - Igor S.K.

Answer 2

FILE结构保存了已打开文件的元数据（模式、流位置等）。它是C标准I/O接口的一部分。 作为FILE的一部分分配的缓冲区仅包含有限量的数据（例如，当流被缓冲时）。它在fclose()时被释放。您甚至可以使用setvbuf()提供自己的用户空间stdio缓冲区。

内核缓冲区接收由write()写入的文件内容，每当流被刷新或相关联的文件描述符关闭时。

- Jens

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这是否意味着，如果流被缓冲，数据首先被写入用户空间缓冲区，然后再写入内核空间缓冲区？但是，如果流没有被缓冲，例如stderr，这是否意味着输出直接进入错误消息，甚至不会存储在内核缓存中？ - Louis Kuang

@lplouis 如果流被缓冲，它首先进入FILE缓冲区。这就是整个目的：避免仅为少量字节而进行昂贵的系统调用。如果未缓冲，则任何操作都直接进入read()或write()。后者通常用于诊断消息：您希望尽快得到有关出现问题的信息。 - Jens

Answer 3

两个缓冲区之间有很大的区别，一个是内核缓冲区，另一个是用户缓冲区。因此，当进行I/O操作时，基本上是将用户空间中的缓冲区复制到内核空间中的缓冲区。函数copy_from_user()执行此任务。

现在出现的问题是，既然内核可以访问用户空间，为什么我们需要两个缓冲区呢？原因是内核不想直接读取用户缓冲区，因为内核和用户空间具有不同的地址空间，因此用户空间中的有效地址可能不是内核中的有效地址。

如果在内核中访问了非有效地址，则系统会立即崩溃，因此函数copy_from_user执行映射用户空间地址和内核空间地址的任务，并检查地址是否可访问。如果不可访问，则简单地返回EFAULT（错误地址）。

- Shubham Pendharkar

Answer 4

FILE 结构保存了有关已打开文件的信息。 这定义了 FILE 结构成员。但在内核级别，文件是通过 inode，缓存缓冲区 访问的。

使用方法 copy_to_user 和 copy_from_user ，数据通过缓冲缓存从用户空间读取/写入磁盘。

- Sigcont