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題目：
1. 分別利用文件的系統調用read、write和文件的庫函數fread、fwrite實現文件復制功能，比較在每次讀取一個字節和1024字節時兩個程序的執行效率，並分析原因。
分析：
預先准備好一份已經存儲數據的普通文件（data.txt）
設置兩對照組：
對照組1（系統調用組）：在執行系統調用實現文件拷貝功能時，分別對讀取一個字節和1024個字節記時，讀取的執行時間若分別記為t1和t1024，然后通過比較1024×t1與t1024二者的時間來比較執行效率（時間效率為主）。
對照組2（庫函數組）：在執行庫函數實現文件拷貝功能時，分別對文件的系統調用與文件的庫函數的執行時間形成對照，比較二者執行效率。
即 本次實驗需要記錄4個變量：
1）系統調用的讀取1字節的時間：Syst1
2）系統調用的讀取1024字節的時間：Syst1024
3）庫函數的讀取1字節的時間：Lib1
4）庫函數的讀取1024字節：Lib1024
猜想：
系統調用的性能較庫函數高，所以，性能上：Syst > Lib;
讀取字節數小的時間效率將高於讀取字節數大的時間效率，所以，時間上：T(1) < T(1024)
則，猜想結論： Lib1024 > Syst1024 > Lib1 > Syst1 （耗時）
開始實施實驗，驗證猜想 Action!
實驗
【系統調用組】
gcc main-system.c -o main-system.out
time ./main-system.out
/*
@author:johnny
@description:系統調用
*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//exit(num)
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<time.h>
#include<unistd.h>//dependency:close/write/open method
#define LENGTH_1 1
#define LENGTH_1024 1024
//統計系統調用的讀取1字節的時間效率，並實現文件復制功能
double read1Byte(){
double startTime;
double endTime;
double Syst1;//系統調用的讀取1字節的時間：Syst1
int len,fread,fwrite;
off_t off;//記錄文件游標偏移位置
char readStr[LENGTH_1];
fread = open("data.txt",O_RDWR | O_CREAT,S_IRUSR | S_IWUSR);//打開數據源文件
fwrite = creat("copy-1-data.txt", 0700);//創建拷貝文件
if(fwrite == -1){
perror("\n[read1Byte] Fail to create file 'copy-1-data.txt'.\n\n");
exit(1);
} else {
printf("\n[read1Byte] Create file 'copy-1-data.txt' OK.\n\n");
}
if(fwrite){//write data to file.
off = lseek(fwrite,0,SEEK_SET); //獲取並重置游標位置為文件開頭處，SEEK_CUR當前讀寫位置后增加offset[0]個位移量
if(off == -1){
perror("\n[read1Byte] Fail to lseek.\n\n");
exit(1);
}
startTime = clock();//從打開文件后，讀取文件數據前開始記錄時間
len = read(fread, readStr, LENGTH_1);//從data.txt讀取數據
endTime = clock();
while(len){//判斷len是否為0，如果為0，則說明讀取到了文件尾，則停止
printf("%s", readStr);
write(fwrite, readStr,strlen(readStr)); //一邊讀取源數據文件，一邊寫入新文件數據
len = read(fread, readStr, LENGTH_1);
}
}
close(fread);
close(fwrite);
Syst1 = (double)(endTime - startTime) / 1000; //(單位：毫秒)
printf("\n[read1Byte] 系統調用的讀取1字節的時間[Syst1]:%f ms\n\n", Syst1);
return Syst1;
}
//統計系統調用的讀取1024字節的時間效率，並實現文件復制功能
double read1024Bytes(){
double startTime;
double endTime;
double Syst1024;//系統調用的讀取1024字節的時間：Syst1024
int len,fread,fwrite;
off_t off;//記錄文件游標偏移位置
char readStr[LENGTH_1024];
fread = open("data.txt",O_RDWR | O_CREAT,S_IRUSR | S_IWUSR);//打開數據源文件
fwrite = creat("copy-1024-data.txt", 0700);//創建拷貝文件
if(fwrite == -1){
perror("\n[read1024Byte] Fail to create file 'copy-1024-data.txt'.\n\n");
exit(1);
} else {
printf("\n[read1024Bytes] Create file 'copy-1024-data.txt' OK.\n\n");
}
if(fwrite){//write data to file.
off = lseek(fwrite,0,SEEK_SET); //獲取並重置游標位置為文件開頭處，SEEK_CUR當前讀寫位置后增加offset[0]個位移量
if(off == -1){
perror("\n[read1024Bytes] Fail to lseek.\n");
exit(1);
}
startTime = clock();//從打開文件后，讀取文件數據前開始記錄時間
len = read(fread, readStr, LENGTH_1024);//從data.txt讀取數據
endTime = clock();
while(len){//判斷len是否為0，如果為0，則說明讀取到了文件尾，則停止
printf("%s", readStr);
write(fwrite, readStr,strlen(readStr)); //一邊讀取源數據文件，一邊寫入新文件數據
len = read(fread, readStr, LENGTH_1024);
}
}
close(fread);
close(fwrite);
Syst1024 = (double)(endTime - startTime) / 1000; //(單位：毫秒)
printf("\n[read1024Bytes] 系統調用的讀取1024字節的時間[Syst1024]:%f ms\n\n", Syst1024);
return Syst1024;
}
int main(){
read1Byte();//統計系統調用的讀取1字節的時間效率，並實現文件復制功能
read1024Bytes();//統計系統調用的讀取1024字節的時間效率，並實現文件復制功能
return 0;
}
運行效果：
【庫函數調用組】
gcc main-lib.c -o main-lib.out
time ./main-lib.out
/*
@author:johnny
@description:庫函數
*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//exit(num)
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<string.h>
#include<fcntl.h>
#include<time.h>
#include<unistd.h>//dependency:close/write/open method
#define LENGTH_1 1
#define LENGTH_1024 1024
//統計庫函數的讀取1字節的時間效率，並實現文件復制功能
double read1Byte(){
double startTime;
double endTime;
double Lib1;//庫函數的讀取1字節的時間：Lib1
FILE * readStream;//讀取數據源文件data.txt的文件流
FILE * writeStream;//拷貝數據源文件data.txt的文件流
readStream = fopen("data.txt","r+");//只讀方式打開可讀寫的且必須已經存在的文件
writeStream = fopen("copy-1-data.txt","w+");//只寫方式打開文件。若文件存在則文件長度清為零，即該文件內容會消失。若文件不存在則建立該文件。
if(readStream == NULL){
fprintf(stderr,"\n[read1Byte] readStream can not open file 'data.txt'.\n\n");
return 0;
}
if(writeStream == NULL){
fprintf(stderr,"\n[read1Byte] writeStream can not create/open file 'copy-1-data.txt'.\n\n");
return 0;
} else {
printf("\n[read1024Bytes] writeStream create/open file 'copy-1-data.txt' OK.\n\n");
}
size_t len;//記錄每次實際讀取到的緩沖數據長度，若為0，則可能是讀取錯誤或者已讀到文件尾。
int off;//記錄文件游標當前偏移位置
char buffer[LENGTH_1];
//write data to file.
off = fseek(writeStream,0,SEEK_SET);//獲取並重置游標位置為文件開頭處，SEEK_CUR當前讀寫位置后增加offset[0]個位移量
if(off == -1){
perror("\n[read1Byte] Fail to fseek.\n\n");
exit(1);
}
startTime = clock();//從打開文件后，讀取文件數據前開始記錄時間
len = fread(buffer, LENGTH_1, LENGTH_1, readStream);//從data.txt讀取數據，len為返回實際寫入的nmemb數目
endTime = clock();
while(len){//判斷len是否為0，如果為0，則說明讀取到了文件尾，則停止
printf("%s", buffer);
fwrite(fwrite, LENGTH_1, len, writeStream); //一邊讀取源數據文件，一邊寫入新文件數據
len = fread(buffer, LENGTH_1, LENGTH_1, readStream);
}
fclose(readStream);
fclose(writeStream);
Lib1 = (double)(endTime - startTime);
printf("\n[read1Byte] 庫函數的讀取1字節的時間[Lib1]:%f ms\n\n", Lib1);
return Lib1;
}
//統計庫函數的讀取1024字節的時間效率，並實現文件復制功能
double read1024Bytes(){
double startTime;
double endTime;
double Lib1024;//庫函數的讀取1024字節的時間：Lib1024
FILE * readStream;//讀取數據源文件data.txt的文件流
FILE * writeStream;//拷貝數據源文件data.txt的文件流
readStream = fopen("data.txt","r+");//只讀方式打開可讀寫的且必須已經存在的文件
writeStream = fopen("copy-1024-data.txt","w+");//只寫方式打開文件。若文件存在則文件長度清為零，即該文件內容會消失。若文件不存在則建立該文件。
if(readStream == NULL){
fprintf(stderr,"\n[read1024Bytes] readStream can not open file 'data.txt'.\n\n");
return 0;
}
if(writeStream == NULL){
fprintf(stderr,"\n[read1024Bytes] writeStream can not create/open file 'copy-1024-data.txt'.\n\n");
return 0;
} else {
printf("\n[read1024Bytes] writeStream create/open file 'copy-1024-data.txt' OK.\n\n");
}
size_t len;//記錄每次實際讀取到的緩沖數據長度，若為0，則可能是讀取錯誤或者已讀到文件尾。
int off;//記錄文件游標當前偏移位置
char buffer[LENGTH_1024];
//write data to file.
off = fseek(writeStream, 0, SEEK_SET);//獲取並重置游標位置為文件開頭處，SEEK_CUR當前讀寫位置后增加offset[0]個位移量
if(off == -1){
perror("\n[read1024Bytes] Fail to fseek.\n\n");
exit(1);
}
startTime = clock();//從打開文件后，讀取文件數據前開始記錄時間
len = fread(buffer, LENGTH_1, LENGTH_1024, readStream);//從data.txt讀取數據，len為返回實際寫入的nmemb數目
endTime = clock();
while(len){//判斷len是否為0，如果為0，則說明讀取到了文件尾，則停止
printf("%s", buffer);
fwrite(fwrite, LENGTH_1, len, writeStream); //一邊讀取源數據文件，一邊寫入新文件數據
len = fread(buffer, LENGTH_1, LENGTH_1024, readStream);
}
fclose(readStream);
fclose(writeStream);
Lib1024 = (double)(endTime - startTime);
printf("\n[read1024Bytes] 庫函數的讀取1字節的時間[Lib1024]:%f ms\n\n", Lib1024);
return Lib1024;
}
int main(){
read1Byte();//統計庫函數的讀取1字節的時間效率，並實現文件復制功能
read1024Bytes();//統計庫函數的讀取1024字節的時間效率，並實現文件復制功能
return 0;
}
運行效果：
結果：
| 變量 | 讀取字節數（byte） | API | 消耗時間(ms) |
| Syst1 |
1 |
系統調用 | 0.061 |
| Syst1024 | 1024 | 系統調用 | 0.002 |
| Lib1 | 1 | 庫函數 | 46 |
| Lib024 | 1024 | 庫函數 | 14 |
結論：
實驗后，回顧最初的猜想：
系統調用的性能較庫函數高，所以，性能上：Syst > Lib;
讀取字節數小的時間效率將高於讀取字節數大的時間效率，所以，時間上： T(1) < T(1024)
那么，猜想結論：
Lib1024 > Syst1024 > Lib1 > Syst1 （耗時）
然而，實際實驗結論是：
Lib1 > Lib1024 >> Syst1 > Syst1024（耗時）
發現，猜想僅僅正確一半。
字節數小的時間效率反而遠遠高於讀取字節數大的時間效率，且系統調用的效率遠遠高於之前對系統調用與庫函數調用的想象。
實驗數據顯示，分別比較讀取1字節和讀取1024字節在系統調用組，庫函數組的時間效率：
Lib1 ~= 754.098 * Syst1 (時間效率比較：754.098倍)
Lib1024 = 7000 * Syst1024 (時間效率比較：7000倍)
對於系統調用與庫函數之間的效率差距，在查閱相關文獻后，得知大致原因如下：
要實現文件拷貝，必須嵌入內核，從磁盤讀取文件內容，然后存儲到另一個文件。
實現文件拷貝最通常的做法是：
讀取文件用系統調用read()函數，讀取到一定長度的連續的用戶層緩沖區，然后使用write()函數將緩沖區內容寫入文件。也可以用標准庫函數fread()和fwrite()，但這兩個函數最終還是通過系統調用read()和write()實現拷貝的，因此可以歸為一類（不過效率肯定沒有直接進行系統調用的高）。一個更高級的做法是使用虛擬存儲映射技術進行，這種方法將源文件以共享方式映射到虛擬存儲器中，目的文件也以共享方式映射到虛擬地址空間中，然后使用memcpy高效地將源文件內容復制到目的文件中。
實驗數據顯示，分別比較系統調用組，庫函數組在讀取1字節和讀取1024字節的時間效率：
Syst1 = 30.5 * Syst1024 (時間效率比較：30.5倍)
Lib1 ~= 3.286 * Lib1024 (時間效率比較：約3.3倍)
對於單(低)字節與多（更多）字節之間的時間效率差距，查閱相關資料無效后，個人揣測原因如下：(仍存在疑問)
本來系統讀取數據的緩存區是較大的，可以讀取多個字節數據，這樣能夠解釋為何多（更多）字節數據的讀取高的原因。又由於讀取單（低）字節，需要系統額外地設置和讀取緩存區，導致比讀取更多字節更高的時間開銷，所以單（低）字節的效率便低於多字節的時間效率了。
參考文獻：
[原創]