开启stdin非阻塞后ANSI控制序列输出异常的排查与修复

问题 #

尝试在开启stdin非阻塞模式的情况下，在终端左上角绘制一个10列5行的黑框，使用如下C语言代码实现：

#include <sys/fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <wchar.h>

int main() {
    int flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL, 0);
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

    char s[] = "\e[1;1H\e[1;1H\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[E\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[E\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[E\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[E\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀";
    // char s1[] = "\e[1;1H\e[1;1H▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\e[E▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\e[E▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\e[E▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\e[E▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\e[E";

    write(1, s, sizeof(s)-1);
    fflush(stdout);
    return 0;
}

但实际输出的黑框不完整，结果如下：

▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀
▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀
▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀
▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀
▀▀▀▀▀▀▀

该输出字符串通过在每个半块字符前插入\e[38;5;0m\e[48;5;0m生成。已尝试更换不同Shell、不同终端模拟器（Alacritty、Terminal.app、iTerm2），问题依旧；但在阻塞模式下打印、移除颜色控制代码、将半块字符替换为普通ASCII字符时，输出正常，这并非预期效果。

原因分析 #

1. write系统调用的部分写入特性：开启stdin非阻塞模式后，终端输出缓冲区的行为会改变。write在写入包含大量ANSI控制序列和多字节Unicode字符的数据时，可能因内核缓冲区暂时不足返回部分写入的字节数，而原代码未处理这种情况，直接忽略了返回值。
2. 数据量过大与字符结构叠加：每个▀是UTF-8多字节字符（占3字节），加上前缀的14字节ANSI颜色控制序列，单字符总长度达17字节。当write无法一次性写入全部数据时，最后一行的部分字符会被截断，导致输出不完整。
3. 非阻塞模式对终端IO的影响：开启stdin非阻塞后，终端IO调度机制变化，输出缓冲区可用空间比阻塞模式下更小，大幅增加了部分写入的概率。

修复方案 #

方案1：循环调用write确保全量写入 #

处理write的部分返回情况，循环写入直到所有数据都输出：

#include <sys/fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <wchar.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main() {
    int flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL, 0);
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

    char s[] = "\e[1;1H\e[1;1H\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[E\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[E\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[E\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[E\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀";
    
    size_t total_len = sizeof(s) - 1;
    ssize_t written;
    const char *buf = s;

    while (total_len > 0) {
        written = write(1, buf, total_len);
        if (written == -1) {
            // 处理EAGAIN错误，重试写入
            if (errno == EAGAIN) continue;
            break;
        }
        buf += written;
        total_len -= written;
    }

    fflush(stdout);
    return 0;
}

方案2：优化ANSI控制序列，减少重复代码 #

无需为每个字符重复设置颜色，仅在开头设置一次黑底黑字，后续字符自动继承样式，大幅减少输出数据量：

#include <sys/fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <wchar.h>

int main() {
    int flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL, 0);
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

    // 仅在开头设置一次颜色，后续字符沿用
    char s[] = "\e[1;1H\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\e[E▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\e[E▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\e[E▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\e[E▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀";

    write(1, s, sizeof(s)-1);
    fflush(stdout);
    return 0;
}

方案3：设置stdout为行缓冲模式 #

通过修改stdout的缓冲策略为行缓冲，确保每行数据完整输出：

#include <sys/fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <wchar.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int flags = fcntl(STDIN_FILENO, F_GETFL, 0);
    fcntl(STDIN_FILENO, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

    // 设置stdout为行缓冲
    setvbuf(stdout, NULL, _IOLBF, 0);

    char s[] = "\e[1;1H\e[38;5;0m\e[48;5;0m▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\n▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\n▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\n▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀\n▀▀▀▀▀▀▀▀▀▀";
    printf("%s", s);
    fflush(stdout);
    return 0;
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Austin