最近在研究kb引擎的時候，看recast源碼和navmesh源碼中的數據加載時候看到了fread和fwrite，發現有兩種不同的寫法，請看下面的圖示。突然間想起來，2種不同的寫法效率是否會不同那，所以就想看看底層系統函數的源碼，於是乎
recast源碼寫法
kb源碼
研究了一下fwrite， write，printf的實現原理， 給大家分享一下，給大家展示一下
一. 代碼片段
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
int main(int argc,char**argv)
{
char buffer[]="hello world";
//使用'printf' 進行打印
printf("%s",buffer);
//使用'fwrite' 進行打印
//fwrite(buffer, 1, strlen(buf), stdout);
fwrite(buffer, strlen(buf), 1, stdout);
//使用'write' function to print char
write(STDOUT_FILENO, &buf, strlen(buf));
return(0);
}
執行結果
hello world
hello world
hello world
二.具體實現原理
實現原理是如何的那？
在unix下對文件的操作有2組系統函數
第一組：fopen, fread, fwrite
fopen 系列是標準的C庫函數
第二組：open, read, write
open系列是 POSIX 定義的，是UNIX系統裏的system call 文件句柄(file handles) ，也稱文件結構指針， 文件描述符（file descriptors)是一個整形變量, 我們常知道的， stdout(標準輸出), stdin(標準輸入), stderr（標準錯誤），其實都是文件句柄，每一個文件句柄都會對應1個文件描述符，stdout， stdin， stderr，正好對應文件描述0，1，2
fread和fwrite接口
NAME
fread, fwrite - binary stream input/output
SYNOPSIS
#include <stdio.h>
size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nmemb, FILE *stream);
三. 分析實現原理
os是px4使用的nuttx。
3.1 nuttx的配置選項
# CONFIG_STDIO_DISABLE_BUFFERING is not set
CONFIG_STDIO_BUFFER_SIZE=32 #配置文件的緩衝區大小
CONFIG_STDIO_LINEBUFFER=y #是否打開文件緩衝
3.2 nuttx的文件句柄和文件描述符的定義
3.2.1 文件結構體
文件位置NuttX/nuttx/include/nuttx/fs/fs.h， 文件結構中，包含了描述文件的緩衝區，這個是文件結構的很大的特點
#if CONFIG_NFILE_STREAMS > 0
struct file_struct
{
int fs_fd; //綁定的文件描述符
#ifndef CONFIG_STDIO_DISABLE_BUFFERING
sem_t fs_sem; /* For thread safety */
pid_t fs_holder; /* Holder of sem */
int fs_counts; /* Number of times sem is held */
FAR unsigned char *fs_bufstart; //執行緩衝區的頭部，緩衝是f_open動態分配的
FAR unsigned char *fs_bufend; /* Pointer to 1 past end of buffer */
FAR unsigned char *fs_bufpos; /* Current position in buffer */
FAR unsigned char *fs_bufread; /* Pointer to 1 past last buffered read char. */
#endif
uint16_t fs_oflags; /* Open mode flags */
uint8_t fs_flags; /* Stream flags */
#if CONFIG_NUNGET_CHARS > 0
uint8_t fs_nungotten; /* The number of characters buffered for ungetc */
unsigned char fs_ungotten[CONFIG_NUNGET_CHARS];
#endif
};
3.2.2 文件描述符的定義
linux的每個文件描述符，都綁定了1個靜態的file opreation的文件接口，綁定了f_priv驅動的對象，操作底層的寄存器
struct file
{
int f_oflags; /* Open mode flags */
off_t f_pos; /* File position */
FAR struct inode *f_inode; /* Driver or file system interface */
void *f_priv; /* Per file driver private data */
};
/* This defines a list of files indexed by the file descriptor */
#if CONFIG_NFILE_DESCRIPTORS > 0
struct filelist
{
sem_t fl_sem; /* Manage access to the file list */
struct file fl_files[CONFIG_NFILE_DESCRIPTORS];
};
3.2.3 標準輸入輸出的流
這個文件句柄，是每個線程創建的時候，自動創建的，自動綁定到文件描述符0，1，2上
#define stdin (&sched_getstreams()->sl_streams[0])
#define stdout (&sched_getstreams()->sl_streams[1])
#define stderr (&sched_getstreams()->sl_streams[2])
3.2.4 posix的標準接口定義
struct file_operations
{
/* The device driver open method differs from the mountpoint open method */
int (*open)(FAR struct file *filep);
/* The following methods must be identical in signature and position because
* the struct file_operations and struct mountp_operations are treated like
* unions.
*/
int (*close)(FAR struct file *filep);
ssize_t (*read)(FAR struct file *filep, FAR char *buffer, size_t buflen);
ssize_t (*write)(FAR struct file *filep, FAR const char *buffer, size_t buflen);
off_t (*seek)(FAR struct file *filep, off_t offset, int whence);
int (*ioctl)(FAR struct file *filep, int cmd, unsigned long arg);
/* The two structures need not be common after this point */
#ifndef CONFIG_DISABLE_POLL
int (*poll)(FAR struct file *filep, struct pollfd *fds, bool setup);
#endif
#ifndef CONFIG_DISABLE_PSEUDOFS_OPERATIONS
int (*unlink)(FAR struct inode *inode);
#endif
3.3.1 fopen接口實現過程
FAR FILE *fopen(FAR const char *path, FAR const char *mode)
//打開文件描述符
fd = open(path, oflags, 0666);
//把文件句柄綁定到os中
-> ret = fs_fdopen(fd, oflags, NULL);
//動態文件緩衝區, 確定start和end的位置,
stream->fs_bufstart = group_malloc(tcb->group, CONFIG_STDIO_BUFFER_SIZE);
stream->fs_bufend = &stream->fs_bufstart[CONFIG_STDIO_BUFFER_SIZE];
stream->fs_bufpos = stream->fs_bufstart;
stream->fs_bufread = stream->fs_bufstart;
//綁定文件描述到os的流中
stream->fs_fd = fd;
};
3.3.2 fwrite接口的實現
size_t fwrite(FAR const void *ptr, size_t size, size_t n_items, FAR FILE *stream)
-> size_t full_size = n_items * (size_t)size;
-> bytes_written = lib_fwrite(ptr, full_size, stream); //寫入全部字節
//先數據寫到文件緩存區中
for (dest = stream->fs_bufpos; gulp_size > 0; gulp_size--)
*dest++ = *src++;
//緩衝區滿了，才寫入到寫到真正的設備上
if (dest >= stream->fs_bufend)
int bytes_buffered = lib_fflush(stream, false);
-> bytes_written = write(stream->fs_fd, src, nbuffer);
3.3.3 fread實現過程
size_t fread(FAR void *ptr, size_t size, size_t n_items, FAR FILE *stream)
bytes_read = lib_fread(ptr, full_size, stream);
//如果緩衝區有數據，直接先從緩衝區拿到數據
while ((count > 0) && (stream->fs_bufpos < stream->fs_bufread))
*dest++ = *stream->fs_bufpos++;
count--;
}
buffer_available = stream->fs_bufend - stream->fs_bufread;
//如果數據不夠,就直接從文件中讀取
-> if (count > buffer_available)
bytes_read = read(stream->fs_fd, dest, count);
//如果需要的數據，小於緩衝區容納的大小，那麼讀取整個緩衝區的大小
-> if (count 《 buffer_available)
bytes_read = read(stream->fs_fd, dest, buffer_available);
3.4 printf接口實現
printf的最底層函數是up_putc() 這個函數，就是smt32阻塞等待發送完成，而且，這個up_putc可以被任何地方調用
int printf(FAR const IPTR char *fmt, ...)
int vfprintf(FAR FILE *stream, FAR const IPTR char *fmt, va_list ap)
->lib_stdoutstream(&stdoutstream, stream);
-> outstream->public.put = stdoutstream_putc;
-> result = fputc(ch, sthis->stream);
-> ret = lib_fwrite(&buf, 1, stream); // 下面就和fwrite的實現就一樣了
-> if (dev->isconsole)
-> ret = uart_irqwrite(dev, buffer, buflen);
->uart_putc('\r'); // #define uart_putc(ch) up_putc(ch)
-> void up_lowputc(char ch)
-> while ((getreg32(CONSOLE_BASE+A1X_UART_LSR_OFFSET) & UART_LSR_THRE) == 0);
putreg32((uint32_t)ch, CONSOLE_BASE+A1X_UART_THR_OFFSET);
-> n = lib_vsprintf(&stdoutstream.public, fmt, ap);
-> obj->put(obj, FMT_CHAR);
if (FMT_CHAR == '\n')
(void)obj->flush(obj); //刷新
3. 5文件系統掛載
文件系統的掛載是我一直疑惑的問題，這此終於明白了文件系統的掛載的問題，塊設備和字符設備的區別在於，字符設備
驅動註冊設備節點，同時open, write可以直接操作字符設備， 而塊設備的註冊，並不是直接給write用的，而是給文件系統用的，文件系統註冊到掛載點上，掛載點去操作文件，塊設備，不像字符設備驅動一樣，可以單個字節處理，而flash的特性是扇區處理，一般SD卡扇區是512字節
union inode_ops_u
{
FAR const struct file_operations *i_ops; /* Driver operations for inode *//
FAR const struct mountpt_operations *i_mops; /* Operations on a mountpoint */
};
//掛載文件系統
if mount -t vfat /dev/mmcsd0 /fs/microsd
//mount.c
mountpt_inode->u.i_mops = mops; //文件系統和設備節點掛載好
3.6 sd卡文件的write操作
這個sd卡文件的操作流程, posix的write調用文件系統fat_write，再調用驅動的mmcsd_write
ssize_t write(int fd, FAR const void *buf, size_t nbytes)
//fat文件系統接口的write
ret = fat_hwwrite(fs, userbuffer, ff->ff_currentsector, nsectors);
//調用mmcsd卡的驅動接口
-> ssize_t nSectorsWritten =
inode->u.i_bops->write(inode, buffer, sector, nsectors);
->mmcsd_write,/* mmcsd 寫*/
通過以上的分析，我們的fread和fwrite，還用printf都是帶緩衝，fwrite寫的內容被刷新到sd卡的條件是，緩衝區滿了，纔會寫到物理sd, fread是每次從物理扇區讀取緩衝區的數據，比如，緩衝是32字節,fread要獲取10字節，fread也直接讀取32字節，緩衝到文件的緩衝區了，剩下的22字節，下次如果用戶調用fread的時候，讀取10字節，10字節小於緩衝區剩餘的22字節，可以直接從緩衝區讀走，這樣可以提高緩衝區的大小。printf具有字節獨立的特性，由於printf處理的都是字符，那麼高效的處理方法就是判斷是否接收到回車符號，就可以刷新緩衝區，而fgetc是，等待接收的數據中有了回車符號，才進行處理。
塊設備 【fwrite【c庫】->write【系統調用】->fat_write【文件系統】->mmcsd_write【SD驅動】】
字符設備 【fwrite【c庫】->write【系統調用】->serial_write【串口驅動】】
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