在MATLAB中如何提高fwrite和fprintf函数的I/O性能

uperrua

今天我们将讨论下著名的fwrite（fprintf）函数，它们是用来进行二进制（文本）文件写入操作的。由于fwrite函数是底层I/O函数，且使用十分频繁，很多用户会质疑，它怎么可能还有性能提升的空间，要是有MathWorks早就更新了。

Flushing 和 Buffer
/ f% A* x$ w' Q
$ Q/ R- X# O; I# U" x6 X不像C/C++语言，在MATLAB中调用fwirte（fprintf）函数时，MATLAB会自动刷新（flush）输出缓存（buffer），这一点MATLAB的帮助文档没有正面直接了当的说明，只是在fopen函数中隐晦的涉及

% P) T# e: h; C; }/ C

看到这里，很多用户估计应该猜到了该怎么做了。在写入数据的时候，假如没有缓存（buffer），那么每次调用fwrite函数，就需要进行一次文件写入操作，这种方式将严重降低I/O性能！
; M; \1 C0 r! R
- r( u/ H* H# {+ \下面看一组比较数据，首先我们没有使用缓存方式
' q" ^# U" X2 M( L: q& i& V# C

• data = randi(250,1e6,1);  % 生成一组数据，用来测试I/O性能
• % 标准形式，没有应用缓存输出 - 慢
• fid = fopen('demo.dat', 'wb'); % w是小写，b表示二进制
• tic, for idx = 1:length(data), fwrite(fid,data(idx)); end, toc
• fclose(fid);
• Elapsed time is 14.983201 seconds.
  

* y3 C% D" \* n5 a+ u3 g% d
. `5 T6 j4 M( x2 W5 d( c/ p7 O; p( ]5 M消耗了大概15s，下面看看使用缓存的方式
0 _8 o2 Z! T( @* A9 q& @' r  h
3 f' k, _; M* S, \) f/ W4 z

• % 缓存输出模式 – 快3倍
• fid = fopen('demo.dat', 'Wb'); % 注意W是大写，b表示二进制
• tic, for idx = 1:length(data), fwrite(fid,data(idx)); end, toc
• fclose(fid);
• Elapsed time is 5.616357 seconds.
  ! O- r# |% U3 C" s) E

2 K1 G2 i8 ^# P  k1 \
2 p$ I: C3 j* T/ H使用缓存后时间缩短至5.6s，看来效率提高了不少呀！
+ G2 ~, B2 C  {5 w) I  f" D
. S0 @' x. ?; E: x# e. L/ Y我们无法理解MathWorks为什么将fopen默认设置为非缓存模式，但也许有他们的理由吧！不过当您在写大型数据文件的时候，推荐还是使用缓存模式（'w'）吧！
# G5 \: r* u7 S2 L" F1 s3 v# w
) c: g- y  L/ _" g) x9 L6 {3 Y) WChunking I/O

使用缓存进行写操作，其实就是为了减少数据文件的访问次数，因此在MATLAB中，假如先将所有的数据都准备好，然后一次性调用fwrite函数将其写入文件中

2 v1 `8 ^( ~  c% H6 e! i1 [

• fid = fopen('demo.dat', 'wb'); % 注意是小写w
• tic, fwrite(fid,data); toc
• fclose(fid);
• Elapsed time is 0.034816 seconds.
  

. m. h  i6 B, g3 Q- ]
可以看出即使是非缓存模式，写入30ms的效率还是很高的。
8 i4 E& a5 C1 _7 Y! B; g
但是假如我们读写的是网络文件，由于网络原因可能需要较长的时间，此时将大数据拆开成很多小块，然后分块处理是一个明智的选择。

" C3 S* Q* @" ~

• h = waitbar(0, 'Saving data...', 'Name','Saving data...');
• cN = 100;  % number of steps/chunks
• % Divide the data into chunks (last chunk is smaller than the rest)
• dN = length(data);
• dataIdx = [1 : round(dN/cN) : dN, dN+1];  % cN+1 chunk location indexes
• % Save the data
• fid = fopen('test.dat', 'Wb');
• for chunkIdx = 0 : cN-1
•   % Update the progress bar
•   fraction = chunkIdx/cN;
•   msg = sprintf('Saving data... (%d%% done)', round(100*fraction));
•   waitbar(fraction, h, msg);
•   % Save the next data chunk
•   chunkData = data(dataIdx(chunkIdx+1) : dataIdx(chunkIdx+2)-1);
•   fwrite(fid,chunkData);
• end
• fclose(fid);
• close(h);
  

* J* {9 x) I3 o/ z2 c, [/ W总的来说，本文中的技术同时适用于fprintf和fwrite函数，但是存储和读取二进制文件（fwrite/fread）远远快于文本文件（fprintf/fscanf/textscan），因此如果数据不是为了人为可读，尽量使用二进制保存！
5 G$ h# ]9 V$ O6 s1 S

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在MATLAB中如何提高fwrite和fprintf函数的I/O性能