STDIN, STDOUT, STDERR

三个标准文件

Unix/Linux/BSD 都有三个特别文件：

stdin 与文件描述符表、pty、键盘的关系

stdin 不是一个独立的东西，它是文件描述符表（file descriptor table，每个进程私有）里 fd 0 这个槽位的习惯叫法。fd 0 具体指向什么取决于进程是怎么启动的——可能重定向到文件、接在管道后面，也可能像交互式 shell 一样连到终端。

在交互式终端场景下，从键盘到 stdin 的完整链路是：

键盘硬件
   │  内核输入子系统 (evdev)
   ▼
终端模拟器进程 / SSH 客户端-服务端        <- 用户态进程，把按键翻译成字符
   │  write() 进 /dev/ptmx（pty master 端）
   ▼
内核 pty 子系统转发 master -> slave
   ▼
/dev/pts/N（pty slave，字符设备，内核模拟出来的）
   ▼
shell 进程的 fd 0（即 stdin）read() 读到这些字节

要点：

• fd 0 是文件描述符表里的一个槽位，stdin 只是它的别名，不存在"stdin 关联到 fd0"这种额外的中间层
• fd 0 底层通常指向 /dev/pts/N——pty slave，是内核用 pty 机制模拟出来的字符设备，不是真实硬件；关于字符设备本身见 BDEV, CDEV
• pty slave 并不直接连接键盘：真正拿到键盘输入、把字节流写进 pty master 的，是终端模拟器或 SSH 链路这个用户态进程；这一点和真实串口终端、虚拟控制台（/dev/tty1 等，内核直接处理键盘输入）不同，详见 Linux TTY 与伪终端 PTY
• 进程通过 stdin 读到的字节流，最终来源是键盘，但中间经过了终端模拟器/SSH → pty master → 内核转发 → pty slave 这几跳，并不是直连

stdout 与 stderr 其实指向同一个设备

有人说 stdout 是带缓冲的，stderr 是不带缓冲的，这并不是指 fd=1 和 fd=2 这两个设备文件本身——它们都是字符设备，本身没有缓存。一个进程的 fd 1 和 fd 2 通常指向同一个终端设备文件：

ls -l /proc/8669/fd/

total 0
lrwx------ 1 root root 64  4月 25 20:57 0 -> /dev/pts/7
lrwx------ 1 root root 64  4月 25 20:57 1 -> /dev/pts/7
lrwx------ 1 root root 64  4月 25 20:57 2 -> /dev/pts/7

细想一下就知道，向 fd 1 或 fd 2 写东西，在内核里走的是完全相同的路径，不可能存在一会儿缓存一会儿不缓存的情况。

真正的缓冲发生在用户态标准库

调用 printf() 或 fwrite(..., stdout) 时，进入标准库后会先把要写的内容放到一个缓存里，直到遇到回车（或缓存满，比如缓冲最大 1024 字节）或者程序退出（return 和 exit() 会刷 stdout 缓存），才会调用 write 系统调用进到内核设备驱动实际去写。这样可以降低 write 系统调用的频率。而向 stderr 写东西不在标准库里做缓存，是立即调用 write 去写的。

我们说 stdout 是行缓冲的、stderr 是无缓冲的，就是这个意思——这里的 stdout 和 stderr 指标准库里 FILE 结构的指针，而不是标准输出和标准错误设备本身。

下面的程序里每个字符串都没有加回车：

int main()
{
    fwrite("aaaaa", 5, 1, stdout);
    fwrite("bbbbb", 5, 1, stdout);
    fwrite("ccccc", 5, 1, stdout);
    fwrite("ddddd", 5, 1, stderr); // stderr, written immediately

    return 0;
}

实际观察到的现象是先打印 ddddd，再一起打印 aaaaabbbbbccccc。换成 printf/perror 或 fprintf(stdout, ...)/fprintf(stderr, ...) 也是一样的结果。而用 write(1, ...) 和 write(2, ...) 都是直接调用系统调用进内核，每次都会立即打印出来。

缓冲类型

标准库中的 stream（即 FILE 结构的流文件）有三种缓冲类型：

• 全缓冲（block buffered）：以缓冲大小为限，例如 4096 字节，fwrite 到 4KB 后标准库才会调用一次 write 去写
• 行缓冲（line buffered）：以换行为限，遇到 newline 时标准库才会调用一次 write 去写；不过行缓冲区也有大小限制，例如 1024 字节，缓冲满了也会去 write
• 无缓冲（unbuffered）：标准库中不开辟缓冲区

默认情况下，从终端的输入输出流都是行缓冲的，体现在诸如 printf()/getchar()/putchar() 等函数；stderr 总是无缓冲的；其他文件流是全缓冲的。

主动刷新缓冲：fflush()

#include <stdio.h>
int fflush(FILE *stream);

• 对于输出流（例如向 stdout 或其他文件写东西），fflush(stream) 将文件在用户态标准库的缓冲全部刷到内核里
• 对输入流，fflush(stream) 则丢弃所有尚未被应用程序拿到的缓冲数据
• 如果参数 stream 为 NULL，则 fflush 对所有打开的输出流文件做刷缓冲操作
• 除了 fflush()，对一个文件进行 fseek() 或 fread() 时，也会触发调用 write 将缓冲写进内核

调用 fclose() 关闭文件前也会调用 fflush() 刷用户态缓冲，并释放缓冲区内存（fopen() 打开文件时会为这个 fp 申请缓冲用的空间，如 4KB，每个 fp 有自己的缓冲区）。

另外，实验证明 exit() 和 return 退出程序后也会清所有打开文件的缓冲区，而 _exit() 不会。如果程序异常退出（如未处理的 Ctrl+C 信号）也不会清缓冲区。

用 setvbuf() 等函数修改缓冲类型

#include <stdio.h>
void setbuf(FILE *stream, char *buf);
void setbuffer(FILE *stream, char *buf, size_t size);
void setlinebuf(FILE *stream);
int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);

补充：内核 page cache

以上提到的都是用户态的文件缓冲，fflush 之后能保证将写入内容提交给了内核。但对于块设备文件系统中的文件，仍不保证能真正写到磁盘文件中，因为内核的 page cache 还会做一层缓存。

作者: 落尘纷扰
链接: https://blog.csdn.net/jasonchen_gbd/article/details/80795645
来源: CSDN
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