C++编程对缓冲区的理解

韩耀旭

什么是缓冲区
缓冲区又称为缓存，它是内存空间的一部分。也就是说，在内存空间中预留了一定的存储空间，这些存储空间用来缓冲输入或输出的数据，这部分预留的空间就叫做缓冲区。
缓冲区根据其对应的是输入设备还是输出设备，分为输入缓冲区和输出缓冲区。

为什么要引入缓冲区
我们为什么要引入缓冲区呢？
比如我们从磁盘里取信息，我们先把读出的数据放在缓冲区，计算机再直接从缓冲区中取数据，等缓冲区的数据取完后再去磁盘中读取，这样就可以减少磁盘的读写次数，再加上计算机对缓冲区的操作大大快于对磁盘的操作，故应用缓冲区可大大提高计算机的运行速度。
又比如，我们使用打印机打印文档，由于打印机的打印速度相对较慢，我们先把文档输出到打印机相应的缓冲区，打印机再自行逐步打印，这时我们的CPU可以处理别的事情。
现在您基本明白了吧，缓冲区就是一块内存区，它用在输入输出设备和CPU之间，用来缓存数据。它使得低速的输入输出设备和高速的CPU能够协调工作，避免低速的输入输出设备占用CPU，解放出CPU，使其能够高效率工作。

缓冲区的类型
缓冲区 分为三种类型：全缓冲、行缓冲和不带缓冲。
1、全缓冲
在这种情况下，当填满标准I/O缓存后才进行实际I/O操作。全缓冲的典型代表是对磁盘文件的读写。
2、行缓冲
在这种情况下，当在输入和输出中遇到换行符时，执行真正的I/O操作。这时，我们输入的字符先存放在缓冲区，等按下回车键换行时才进行实际的I/O操作。典型代表是键盘输入数据。
3、不带缓冲
也就是不进行缓冲，标准出错情况stderr是典型代表，这使得出错信息可以直接尽快地显示出来。
缓冲区的刷新
下列情况会引发缓冲区的刷新:
1、缓冲区满时；
2、执行flush语句；
3、执行endl语句；
4、关闭文件。
可见，缓冲区满或关闭文件时都会刷新缓冲区，进行真正的I/O操作。另外，在C++中，我们可以使用flush函数来刷新缓冲区（执行I/O操作并清空缓冲区），如：
cout<<flush; //将显存的内容立即输出到显示器上进行显示

endl控制符的作用是将光标移动到输出设备中下一行开头处，并且清空缓冲区。
cout<<endl;
相当于
cout<<”\n” <<flush;

通过实例演示说明

1、文件操作演示全缓冲
创建一个控制台工程，输入如下代码：

#include <fstream>
using namespace std;

int main()
{
    //创建文件test.txt并打开
	ofstream outfile("test.txt");

    //向test.txt文件中写入4096个字符’a’
	for(int n=0;n<4096;n++)
	{
		outfile<<'a';
	}
    //暂停，按任意键继续
	system("PAUSE");

    //继续向test.txt文件中写入字符’b’，也就是说，第4097个字符是’b’
	outfile<<'b';

    //暂停，按任意键继续
	system("PAUSE");

	return 0;
}

上面这段代码很容易理解，已经在代码内部作了注释。
编写这段小代码的目的是验证WindowsXP下全缓冲的大小是4096个字节，并验证缓冲区满后会刷新缓冲区，执行真正的I/O操作。

编译并执行，运行结果如下：

此时打开工程所在文件夹下的test.txt文件，您会发现该文件是空的，这说明4096个字符“a”还在缓冲区，并没有真正执行I/O操作。敲一下回车键，窗口变为如下：

此时再打开test.txt文件，您就会发下该文件中已经有了4096个字符“a”。这说明全缓冲区的大小是4K（4096），缓冲区满后执行了I/O操作，而字符“b”还在缓冲区。
再次敲一下回车键，窗口变为如下：

此时再打开test.txt文件，您就会发现字符“b”也在其中了。这一步验证了文件关闭时刷新了缓冲区。

2、键盘操作演示行缓冲
先介绍getchar()函数。
函数原型：int getchar(void);
说明：当程序调用getchar()函数时，程序就等着用户按键，用户输入的字符被存放在键盘缓冲区中，直到用户按回车为止（回车字符也放在缓冲区中）。当用户键入回车之后，getchar()函数才开始从键盘缓冲区中每次读入一个字符。也就是说，后续的getchar()函数调用不会等待用户按键，而直接读取缓冲区中的字符，直到缓冲区中的字符读完后，才重新等待用户按键。
不知道您明白了没有，再通俗一点讲，当程序调用getchar()函数时，程序就等着用户按键，并等用户按下回车键返回。期间按下的字符存放在缓冲区，第一个字符作为函数返回值。继续调用getchar()函数，将不再等用户按键，而是返回您刚才输入的第2个字符；继续调用，返回第3个字符，直到缓冲区中的字符读完后，才等待用户按键。
如果您还没有明白，只能怨我表达能力有限，您可以结合以下实例体会。

创建一个控制台工程，输入如下代码：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{

	char c;

//第一次调用getchar()函数
//程序执行时，您可以输入一串字符并按下回车键，按下回车键后该函数才返回
	c=getchar();

    //显示getchar()函数的返回值
	cout<<c<<endl;

    //暂停
	system("PAUSE");

//循环多次调用getchar()函数
//将每次调用getchar()函数的返回值显示出来
//直到遇到回车符才结束
	while((c=getchar())!='\n')
	{
		printf("%c",c);
	}

    //暂停
	system("PAUSE");

	return 0;
}

这段小代码也很简单，同样在代码内部都有注释。
getchar()函数的执行就是采用了行缓冲。第一次调用getchar()函数，会让程序使用者（用户）输入一行字符并直至按下回车键 函数才返回。此时用户输入的字符和回车符都存放在行缓冲区。
再次调用getchar()函数，会逐步输出行缓冲区的内容。
好了，本人表达能力有限，还是编译运行程序，通过运行结果自己领会吧。

编译运行程序，会提示您输入字符，您可以交替按下一些字符，如下：
 
您一直按下去，您就会发现当您按到第4094个字符时，不允许您继续输入字符。这说明行缓冲区的大小也是4K。
此时您按下回车键，返回第一个字符’a’，如下图：

继续敲一下回车键，将缓冲区的其它的字符全部输出，如下图：

3、标准错误输出不带缓冲
如错误输出时使用：

cerr<<”错误，请检查输入的参数!”;

这条语句等效于：
fprintf(stderr, ”错误，请检查输入的参数!”);

好了，就说到这吧，祝您好运，希望能对您有所帮助。

源：http://www.vckbase.com/document/viewdoc/?id=1897