使用FILE* 或file descriptor API 处理本地磁盘文件二进制数据读取和写入对性能有何影响？任何一种方式都比另一种方式有什么优势吗？
fread() 或read() 在性能方面是否优于另一个？它们在行为、缓存或系统资源使用方面有何不同？
fwrite() 或 write() 在性能方面是否优于另一个？它们在行为、缓存或系统资源使用方面有何不同？
【问题讨论】：
标签： c performance sockets file-io
read 和write 是系统调用：因此它们在用户空间中没有缓冲。您在那里提交的所有内容都将直接进入内核。
底层文件系统可能有内部缓冲，但这里最大的性能影响将来自每次调用时更改为内核空间。
fread 和 fwrite 是用户空间库调用，默认情况下是缓冲的。因此，这些会将您的访问组合在一起，以使它们更快（理论上）。
自己尝试一下：read 一次从文件中提取一个字节，然后 fread 一次从文件中提取一个字节。后者应该快 4000 倍。
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/resource.h>
int main() {
struct rusage usage_start, usage_end;
getrusage(RUSAGE_SELF, &usage_start);
int fd = open("/dev/zero", O_RDONLY);
int i = 0x400 * 0x400; // 1 MB
char c;
while (i--)
read(fd, &c, 1);
close(fd);
getrusage(RUSAGE_SELF, &usage_end);
printf("Time used by reading 1MiB: %zu user, %zu system.\n", ((usage_end.ru_utime.tv_sec - usage_start.ru_utime.tv_sec)* 1000000) + usage_end.ru_utime.tv_usec - usage_start.ru_utime.tv_usec, ((usage_end.ru_stime.tv_sec - usage_start.ru_stime.tv_sec)* 1000000) + usage_end.ru_stime.tv_usec - usage_start.ru_stime.tv_usec);
getrusage(RUSAGE_SELF, &usage_start);
FILE * fp = fopen("/dev/zero", "r");
i = 0x400 * 0x400; // 1 MB
while (i--)
fread(&c, 1, 1, fp);
fclose(fp);
getrusage(RUSAGE_SELF, &usage_end);
printf("Time used by freading 1MiB: %zu user, %zu system.\n", ((usage_end.ru_utime.tv_sec - usage_start.ru_utime.tv_sec)* 1000000) + usage_end.ru_utime.tv_usec - usage_start.ru_utime.tv_usec, ((usage_end.ru_stime.tv_sec - usage_start.ru_stime.tv_sec)* 1000000) + usage_end.ru_stime.tv_usec - usage_start.ru_stime.tv_usec);
return 0;
}
在我的 OS X 上返回：
Time used by reading 1MiB: 103855 user, 442698 system.
Time used by freading 1MiB: 20146 user, 256 system.
stdio 函数只是将优化代码包装在适当的系统调用周围。
这是该程序的strace：
getrusage(RUSAGE_SELF, {ru_utime={0, 0}, ru_stime={0, 0}, ...}) = 0
open("/dev/zero", O_RDONLY) = 3
然后跟随 1048576 次
read(3, "\0", 1) = 1
其他：
close(3) = 0
getrusage(RUSAGE_SELF, {ru_utime={0, 200000}, ru_stime={5, 460000}, ...}) = 0
这是fopen的一部分：
fstat(1, {st_mode=S_IFIFO|0600, st_size=0, ...}) = 0
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x2aaaaaaae000
getrusage(RUSAGE_SELF, {ru_utime={0, 200000}, ru_stime={5, 460000}, ...}) = 0
// ...
open("/dev/zero", O_RDONLY) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFCHR|0666, st_rdev=makedev(1, 5), ...}) = 0
ioctl(3, SNDCTL_TMR_TIMEBASE or TCGETS, 0x7fffffffb050) = -1 ENOTTY (Inappropriate ioctl for device)
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x2aaaaaaaf000
现在 256 次：
read(3, "\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0"..., 4096) = 4096
请注意，虽然我正在逐字节读取，但 stdio 库一次获取一页文件内容。
其余的主要是释放：
close(3) = 0
munmap(0x2aaaaaaaf000, 4096) = 0
getrusage(RUSAGE_SELF, {ru_utime={0, 230000}, ru_stime={5, 460000}, ...}) = 0
write(1, "Time used by reading 1MiB: 20000"..., 106Time used by reading 1MiB: 200000 user, 5460000 system.
Time used by freading 1MiB: 30000 user, 0 system.
) = 106
exit_group(0) = ?
【讨论】：
stdio 库的一些额外便利功能（f* 调用）之外，没有太大的功能差异。通常，除非您需要对文件描述符（主要是特定于操作系统的内容）进行非常具体的控制，否则始终建议使用 stdio 而不是系统调用。如果有底层文件系统缓冲，那么这两种方法都不能做任何事情，但 stdio 通常更优化。
关于访问磁盘上的文件，答案是：视情况而定。更高级别的函数可以启用缓冲，这可以减少物理 I/O 的数量，这意味着它可以减少read()/write() 调用的实际数量（fread() 调用 read() 来访问磁盘等）。
因此，启用缓冲后，高级函数的优势在于您通常会看到更好的性能，而无需考虑自己在做什么。低级函数的优势在于，如果您知道应用程序将如何执行操作，则可以通过直接管理自己的缓冲来提高性能。
【讨论】：
fread/fwrite 比 read/write 快，我同意，但是：
1) 如果要随机访问文件，则 fwrite/fread 无法如此有效地使用，并且大多数情况下它们可能会导致性能损失。
2) 如果文件正在被另一个进程或线程共享，那么它不会那么快并且无法使用，除非您每次写入文件时都使用 flush() 命令，并且在这种情况下，速度至少与写入命令相等。此外，fread 命令也不能使用，因为它使用其缓冲区来读取可能未更新的数据，或者，如果它关心更新，它必须丢弃已读取的内容以读取新数据。
所以，这取决于。
【讨论】：