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
& B) g0 q! p1 ?3 e
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

/ W; |+ \# n% `/ k/ f$ k

5 m- {+ R" p) k* b) g8 d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！
( `& f. U- q2 }" Z0 d  `
" K% C# a- M; y5 i0 Y" d下面看一组比较数据，首先我们没有使用缓存方式

• 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.
  5 G9 v5 ^1 y/ S4 q, L, U2 R- e

- P: x; K  J3 {  X8 h" K" l" \4 B
& _  }0 y+ a* g/ l0 S4 g消耗了大概15s，下面看看使用缓存的方式

: |) X0 `; s. d1 \" c9 F

• % 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.
  

. l0 r. y" L1 G0 g8 V8 d" l3 ?+ }使用缓存后时间缩短至5.6s，看来效率提高了不少呀！
. |# c3 d% g& m( G& C- P
7 j/ K' @$ h8 g- p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！
  ~; i, X# W* d' Q- J
/ E. k0 n* k2 x; Y9 }! r& S( gChunking 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
$ n" D( g/ t# d& b

• fid = fopen('demo.dat', 'wb'); % 注意是小写w
• tic, fwrite(fid,data); toc
• fclose(fid);
• Elapsed time is 0.034816 seconds.
  ' A+ Z6 _: W" I; T5 F0 V3 m

$ o- C; L  N. `可以看出即使是非缓存模式，写入30ms的效率还是很高的。

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。

• 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);
  

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！

8 j2 r9 W4 e* b2 c# c$ O

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在MATLAB中如何提高fwrite和fprintf函数的I/O性能