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

Question

我正在尝试加快我的 C 程序以更快地输出数据。
目前我正在使用printf() 向外界提供一些数据。它是一个连续的数据流，因此我无法使用 return(data)。

如何使用write() 或fwrite() 将数据提供给console 而不是文件？

总体而言，我的设置由用 C 编写的程序组成，其输出到 python 脚本，在其中进一步处理数据。我形成一个管道：

./program_in_c | script_in_python

这通过使用更多的处理器内核为 Raspberry Pi 带来了额外的好处。

Answer 1

#include <unistd.h>

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

write() 从 buf 开始的缓冲区中最多写入 count 个字节到 文件描述符 fd 引用的文件。

标准输出文件描述符是：至少在 linux 中是 1！ 在调用 write 系统调用以确保清除所有先前的 garabge 之前，还要注意使用刷新 stdoutput 缓冲区

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() 写入 nmemb 项数据，每个 size 字节 long，指向stream指向的流，从 ptr 给出的位置。

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

请参考以下链接中的手册页以进一步阅读：

fwrite

write

Answer 2

C 中的控制台输出的工作方式几乎与文件相同。包含stdio.h 后，您可以在控制台输出上写入，命名为stdout（用于“标准输出”）。最后声明如下：

printf("hello world!\n");

等同于：

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

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

Answer 3

好吧，尝试克服stdio.h 包中已经使用的缓冲系统几乎没有成功。如果您尝试将fwrite() 与更大的缓冲区一起使用，您可能不会赢得更多时间，并且会使用比必要更多的内存，因为stdio.h 会选择适合要写入数据的文件系统的最佳缓冲区大小。

如下所示的简单程序将表明速度无关紧要，因为 stdio 已经在缓冲输出。

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

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

如果您尝试以上和以下程序：

#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;
}

您会发现没有显着差异，甚至第一个程序会更快，尽管它是基于每个字符执行 I/O。 （正如 B. Kernighan 和 Dennis Ritchie 在她的第一版“C 编程语言”中所写的那样）第一个程序很可能会获胜。

对read() 和write() 的调用各涉及一个系统调用，缓冲区大小由您决定。个人getchar() 和putchar() 电话不会。它们只是将接收到的字符存储在内存缓冲区中，当您打印它们时，其大小由stdio.h 库实现决定，基于文件系统，一旦缓冲区充满数据，它就会刷新缓冲区。如果您在第二个程序中增加缓冲区大小，您会看到将其增加到一个点会得到更好的结果，但之后您将看不到速度的增加。相对于执行实际 I/O 所涉及的时间而言，对库的调用次数是微不足道的，并且选择一个非常大的缓冲区会占用您系统的大量内存（并且 Raspberry Pi 内存在这个意义上是有限的，到 1Gb 或 ram）如果您因缓冲区太大而结束交换，您将彻底输掉这场战斗。

大多数文件系统都有一个首选的缓冲区大小，因为内核确实提前写入（在顺序读取时，内核读取的内容比您要求的要多，前提是您在使用数据后会继续阅读更多内容），这会影响最佳缓冲区大小。为此，stat(2) 系统调用会告诉您最佳缓冲区大小是多少，stdio 在选择实际缓冲区大小时会使用它。

不要认为你会比上面列出的程序更好（或更好）。即使您使用了足够大的缓冲区。

不正确（或有效）的是将缓冲调用（如所有 stdio 包）与基本系统调用（如 read(2) 或 write(2) ——正如我所看到的那样推荐你使用fflush(3) 在write(2) 之后，这是完全不连贯的——不缓冲数据）没有收益（如果你使用printf(3) 和部分进行部分调用，你可能会得到错误的输出排序使用write(2)（这种情况更多地发生在您计划做的管道中，因为缓冲区不是面向行的 --- stdio 中缓冲输出的另一个特征---）

最后，我建议您阅读 Dennis Ritchie 和 Rob Pike 的“Unix 编程环境”。它会教你很多关于unix的知识，但一件非常好的事情是它会教你完美地使用stdio包和unix文件系统对读写的调用。运气好的话，您会在互联网上以 .pdf 格式找到它。

下一个程序给你展示缓冲的效果：

#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");
}

假设您将看到（在终端上）该程序，将数字0 写入9，以, 分隔，并以一秒为间隔。

但是由于缓冲，您观察到的情况完全不同，您将看到您的程序如何等待 10 秒而不在终端上写入任何内容，最后一次写入所有内容，包括最后行结束，当程序终止时，shell 会再次向您显示提示。

如果你把程序改成这样：

#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");
}

您将看到预期的输出，因为您已告诉stdio 在每次循环通过时刷新缓冲区。在这两个程序中，您对 printf(3) 进行了 10 次调用，但最后只有一个 write(2) 来写入完整的缓冲区。在第二个版本中，您强制 stdio 在每个 printf 之后执行一个这样的 write(2)，并在程序通过循环时显示数据。

小心，因为stdio 的另一个特性可能会让您感到困惑，例如printf(3)，当您打印到终端设备时，会刷新每个\n 的输出，但是当您通过管道运行它时，它只有当缓冲区完全填满时才会这样做。这节省了系统调用（例如，在 FreeBSD 中，stdio 选择的缓冲区大小约为 32kb，足以将两个块强制为write(2) 和最佳值（超过该大小不会变得更好）