核心態與使用者態、系統呼叫與庫函式、檔案IO與標準IO、緩衝區等概念介紹
概述
Linux提供了兩套可以用於檔案的IO介面：
- 檔案IO： open、create、close、lseek、read、write、fcntl、ioctl等
- 標準IO： FILE、fopen、fwrite、fread、等
為了理解檔案IO和標準IO的區別，可能要先理解下使用者態與核心態，系統呼叫與庫函式的概念。
使用者態和核心態
什麼是使用者態和核心態：
- 核心態: CPU可以訪問記憶體所有資料, 包括外圍裝置, 例如硬碟, 網絡卡. CPU也可以將自己從一個程式切換到另一個程式
- 使用者態: 只能受限的訪問記憶體, 且不允許訪問外圍裝置. 佔用CPU的能力被剝奪, CPU資源可以被其他程式獲取
區分使用者態和核心態的作用：
之所以區分使用者態和核心態，是為了限制不同程式的訪問能力，防止它們獲取隨意獲取其他程式或外圍裝置的資料。
(限制使用者態的訪問能力，還可以防止外圍裝置的訪問衝突。)
我們知道，執行緒
使用者態和核心態的切換：
程式都是工作在使用者態，但是有時候程式需要訪問一些受限的資料（如從硬碟讀資料，從鍵盤獲取輸入等），這是就需要切換到核心態。切換的方式一般時呼叫系統呼叫。使用者態通過系統呼叫通知核心態，需要訪問哪些受限的資料，或操作哪些受限的裝置。核心態就幫助使用者態完成。
小結：
簡單的說，使用者程式只能訪問記憶體，而作業系統能訪問所有資料。使用者程式工作的模式即是使用者態，當用戶程式想要訪問受限的資料時，就需要向作業系統發請求，讓作業系統幫忙完成。 作業系統工作的模式即核心態。
庫函式和系統呼叫
庫函式工作在使用者態，系統呼叫工作在核心態。
所有的作業系統都會提供一些服務用以訪問/操作裝置等，作業系統會為這些服務提供介面。這些介面就是系統呼叫 。使用者態程式通過呼叫系統呼叫可以切換到核心態，訪問記憶體意外的資料，操作外圍裝置等。
不同的作業系統提供的系統呼叫會有所差異。
Unix為每個系統呼叫在標準C庫中設定一個具有同樣名字的函式 。 一般我們是稱這些函式為系統呼叫。（如標準C庫中有函式write(), write()函式直接使用write系統呼叫相應的核心服務）。 所以一般說write()，指的不是write()這個函式，而是系統呼叫write。
標準C庫，或是其他庫會定義一些函式，這些函式稱之為庫函式。很多庫函式是跨平臺的。雖然有些庫函式最終會呼叫系統呼叫，但不少庫函式會根據具體的作業系統選用響應的系統呼叫介面。
有些庫函式僅僅是操作記憶體，不訪問硬碟等外圍裝置的資料，因此最終並不會呼叫系統帶哦用。即：並不是所有的庫函式最終都要使用系統呼叫的， 如：strcpy、atoi等。
I/O的概念
I/O:輸入輸出。
既然是輸入輸出，就要有輸入輸出裝置（一般記憶體不算輸入輸出裝置）。如硬碟、鍵盤、終端等都可以作為輸入輸出裝置。
使用者態是不能訪問硬碟、鍵盤、終端這些外圍（虛擬）裝置的，因此需要切換到核心態。使用者態和核心態的切換是會產生開銷的。
舉個例子，程式要從硬碟上的檔案讀取資料，其過程如下：
- 程式通過系統呼叫（如read）告訴作業系統想要讀取某個硬碟檔案的內容。
- 切換到核心態（這裡需要從使用者態向核心態傳遞，要讀取的是哪個檔案等資訊）
- 系統呼叫（工作在核心態）讀取檔案內容。
- 切換到使用者態（這個過程包含了把系統呼叫讀取到的資料拷貝到使用者態的過程）
- 程式得到資料。
檔案I/O——不帶緩衝的I/O
檔案IO相關的函式open、close、read、write等等
這裡我們主要以write()函式為例，介紹一些檔案IO的特性。
檔案IO是不帶緩衝的，所謂不帶緩衝，即每呼叫一次檔案IO（如write），就進行一次使用者態與核心態的切換。
呼叫一次write，就需要立即把資料從使用者態拷貝到核心態。
標準I/O——帶緩衝的I/O
標準IO相關的函式主要有：fopen、fclose、fread、fwrite、fgetc等等
標準IO是帶緩衝的。
標準IO提供緩衝的目的是儘可能減少使用read和write呼叫的次數（也就是使用者態和核心態切換的次數）。
所謂帶緩衝，其實就是在呼叫fwrite的時候，先把資料放在緩衝區。不直接使用系統呼叫，切換到核心態。而是等到緩衝區滿或是呼叫fflush等條件滿足時，再一次性呼叫write，把資料拷貝到核心空間。
緩衝
緩衝是標準IO庫提供的，緩衝區存在於使用者空間（不管是fread還是fwrite）。 對於fwrite，根據上面的例子很好理解。對於fread而言，就是在呼叫fread的時候，切換到核心態，核心態讀取緩衝去能夠接受的大小的資料（一般會多餘此次fread期望的資料）， 然後返回給fread函式。下次再呼叫fread的時候，可能只需要從緩衝區讀取，而不需要再到核心空間拷貝了。
標準IO有三種緩衝型別：
全緩衝：
行緩衝
不帶緩衝
檔案IO與標準IO的一些對比
效率對比
檔案IO不帶緩衝，因此每呼叫write，就需要做使用者態和核心態的切換，把資料從使用者態切換到核心態。
標準IO帶緩衝，呼叫fwrite的時候，先把資料儲存在緩衝區，等待緩衝區滿或呼叫fflush等條件滿足時，再呼叫write，一次性把多次fwrite的資料
因此，從效率上看，帶緩衝的IO作使用者態與核心態切換的次數較少，效率比較高。沒有特殊要求的話，一般應該選用fopen、fwrite系列帶緩充的IO。
檔案IO與標準IO的應用場景——多執行緒日誌系統為例
在多執行緒日誌系統中，每個執行緒開啟一個日誌檔案的描述符。
如果使用帶緩衝的IO，最終可能導致日誌的順序發生錯亂，可能影響閱讀。因此如果對多執行緒的日誌順序有要求的話，可能需要使用不帶緩衝的IO。
另一方面，在測試中發現，使用標準IO時，每次呼叫write的資料並不一定都是多次完整的fwrite的資料。可能會有一些fwrite的資料被分為兩次write。舉個例子，每次呼叫fwrite寫100個位元組的資料，而緩衝區為550個位元組，那麼第6次fwrite的資料可能就被截斷分成兩次write。（這是我在centOS7.2上的測試結論，目前不清楚是否可以配置在fwrite寫緩衝之前先判斷緩衝區剩餘空間是否充足，不足時先呼叫write，再把完整的fwrite資料寫入緩衝）。（就剛剛那個例子來說，就是不知道是否可以配置，在第6次fwrite寫緩衝之前先write前面的500位元組）。