在酷殼部落格站裡，看到一篇部落格，講了一道關於fork的面試題，為了理解這個面試題背後的一些相關知識，我查找了資料  ，惡補了一下。然後把它記錄下來，方便以後的查閱。

先供出那道fork的面試題： 

題目：請問下面的程式一共輸出多少個“-”？

fork的相關知識如下：

• fork()系統呼叫是Unix下以自身程序建立子程序的系統呼叫，一次呼叫，兩次返回，如果返回是0，則是子程序，如果返回值>0，則是父程序（返回值是子程序的pid），這是眾為周知的。

• 還有一個很重要的東西是，在fork()的呼叫處，整個父程序空間會原模原樣地複製到子程序中，包括指令，變數值，程式呼叫棧，環境變數，緩衝區，等等。

這裡printf列印了6次“_”。如果把for條件中的迴圈i<2,改成i<3,則列印14次“_”。計算公式為 列印次數 = 2 + 4 + 8 + 。。。+ 2 ^ i = 2 ^ (i+1) - 2  .

順便補充一下跟for迴圈的 相關知識：

for (控制表示式1; 控制表示式2; 控制表示式3) 語句

如果不考慮迴圈體中包含continue語句的情況（稍後介紹continue語句），這個for迴圈等價於下面的while迴圈：

控制表示式1;
while (控制表示式2) {
	語句
	控制表示式3;
}

從這種等價形式來看，控制表示式1和3都可以為空，但控制表示式2是必不可少的，例如for (;1;) {...}等價於while (1) {...}死迴圈。C語言規定，如果控制表示式2為空，則認為控制表示式2的值為真，因此死迴圈也可以寫成for (;;) {...}。

現在來講跟C標準庫的I/O緩衝區相關的知識：

使用者程式呼叫C標準I/O庫函式讀寫檔案或裝置，而這些庫函式要通過系統呼叫把讀寫請求傳給核心（以後我們會看到與I/O相關的系統呼叫），最終由核心驅動磁碟或裝置完成I/O操作。C標準庫為每個開啟的檔案分配一個I/O緩衝區以加速讀寫操作，通過檔案的FILE結構體可以找到這個緩衝區，使用者呼叫讀寫函式大多數時候都在I/O緩衝區中讀寫，只有少數時候需要把讀寫請求傳給核心。以fgetc/fputc為例，當用戶程式第一次呼叫fgetc讀一個位元組時，fgetc函式可能通過系統呼叫進入核心讀1K位元組到I/O緩衝區中，然後返回I/O緩衝區中的第一個位元組給使用者，把讀寫位置指向I/O緩衝區中的第二個字元，以後使用者再調fgetc，就直接從I/O緩衝區中讀取，而不需要進核心了，當用戶把這1K位元組都讀完之後，再次呼叫fgetc時，fgetc函式會再次進入核心讀1K位元組到I/O緩衝區中。在這個場景中使用者程式、C標準庫和核心之間的關係就像在CPU、Cache和記憶體之間的關係一樣，C標準庫之所以會從核心預讀一些資料放在I/O緩衝區中，是希望使用者程式隨後要用到這些資料，C標準庫的I/O緩衝區也在使用者空間，直接從使用者空間讀取資料比進核心讀資料要快得多。另一方面，使用者程式呼叫fputc通常只是寫到I/O緩衝區中，這樣fputc函式可以很快地返回，如果I/O緩衝區寫滿了，fputc就通過系統呼叫把I/O緩衝區中的資料傳給核心，核心最終把資料寫回磁碟。有時候使用者程式希望把I/O緩衝區中的資料立刻傳給核心，讓核心寫回裝置，這稱為Flush操作，對應的庫函式是fflush，fclose函式在關閉檔案之前也會做Flush操作。（注：printf屬於C標準I/O庫的一個函式）

下圖以fgets/fputs示意了I/O緩衝區的作用，使用fgets/fputs函式時在使用者程式中也需要分配緩衝區（圖中的buf1和buf2），注意區分使用者程式的緩衝區和C標準庫的I/O緩衝區。

C標準庫的I/O緩衝區有三種類型：全緩衝、行緩衝和無緩衝。當用戶程式呼叫庫函式做寫操作時，不同型別的緩衝區具有不同的特性。

全緩衝

如果緩衝區寫滿了就寫回核心。常規檔案通常是全緩衝的。

行緩衝

如果使用者程式寫的資料中有換行符就把這一行寫回核心，或者如果緩衝區寫滿了就寫回核心。標準輸入和標準輸出對應終端裝置時通常是行緩衝的。

無緩衝

使用者程式每次調庫函式做寫操作都要通過系統呼叫寫回核心。標準錯誤輸出通常是無緩衝的，這樣使用者程式產生的錯誤資訊可以儘快輸出到裝置。

下面通過一個簡單的例子證明標準輸出對應終端裝置時是行緩衝的。

#include <stdio.h>

int main()
{
	printf("hello world");
	while(1);
	return 0;
}

執行這個程式，會發現hello world並沒有列印到螢幕上。用Ctrl-C終止它，去掉程式中的while(1);語句再試一次：

$ ./a.out
hello world$

hello world被列印到螢幕上，後面直接跟Shell提示符，中間沒有換行。

我們知道main函式被啟動程式碼這樣呼叫：exit(main(argc, argv));。main函式return時啟動程式碼會呼叫exit，exit函式首先關閉所有尚未關閉的FILE *指標（關閉之前要做Flush操作），然後通過_exit系統呼叫進入核心退出當前程序^[35]。

在上面的例子中，由於標準輸出是行緩衝的，printf("hello world");列印的字串中沒有換行符，所以只把字串寫到標準輸出的I/O緩衝區中而沒有寫回核心（寫到終端裝置），如果敲Ctrl-C，程序是異常終止的，並沒有呼叫exit，也就沒有機會Flush I/O緩衝區，因此字串最終沒有列印到螢幕上。如果把列印語句改成printf("hello world\n");，有換行符，就會立刻寫到終端裝置，或者如果把while(1);去掉也可以寫到終端裝置，因為程式退出時會呼叫exitFlush所有I/O緩衝區。在本書的其它例子中，printf列印的字串末尾都有換行符，以保證字串在printf呼叫結束時就寫到終端裝置。

事實上，最開始的關於fork的那個程式會輸出8個“-”，這是因為printf(“-”);語句有buffer，所以，對於上述程式，printf(“-”);把“-”放到了快取中，並沒有真正的輸出（參看《C語言的迷題》中的第一題），在fork的時候，快取被複制到了子程序空間，所以，就多了兩個，就成了8個，而不是6個。

另外，多說一下，我們知道，Unix下的裝置有“塊裝置”和“字元裝置”的概念，所謂塊裝置，就是以一塊一塊的資料存取的裝置，字元裝置是一次存取一個字元的裝置。磁碟、記憶體都是塊裝置，字元裝置如鍵盤和串列埠。塊裝置一般都有快取，而字元裝置一般都沒有快取。

對於上面的問題，我們如果修改一下上面的printf的那條語句為：

或是

就沒有問題了（就是6個“-”了），因為程式遇到“\n”，或是EOF，或是緩中區滿，或是檔案描述符關閉，或是主動flush，或是程式退出，就會把資料刷出緩衝區。需要注意的是，標準輸出是行緩衝，所以遇到“\n”的時候會刷出緩衝區，但對於磁碟這個塊裝置來說，“\n”並不會引起緩衝區刷出的動作，那是全緩衝，你可以使用setvbuf來設定緩衝區大小，或是用fflush刷快取。