C++編程對緩沖區(qū)的理解 - VC知識庫文章

wfsy1983 2010-09-11

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C++編程對緩沖區(qū)的理解
韓耀旭

什么是緩沖區(qū)
緩沖區(qū)又稱為緩存，它是內存空間的一部分。也就是說，在內存空間中預留了一定的存儲空間，這些存儲空間用來緩沖輸入或輸出的數(shù)據(jù)，這部分預留的空間就叫做緩沖區(qū)。
緩沖區(qū)根據(jù)其對應的是輸入設備還是輸出設備，分為輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。

為什么要引入緩沖區(qū)
我們?yōu)槭裁匆刖彌_區(qū)呢？
比如我們從磁盤里取信息，我們先把讀出的數(shù)據(jù)放在緩沖區(qū)，計算機再直接從緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù)，等緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)取完后再去磁盤中讀取，這樣就可以減少磁盤的讀寫次數(shù)，再加上計算機對緩沖區(qū)的操作大大快于對磁盤的操作，故應用緩沖區(qū)可大大提高計算機的運行速度。
又比如，我們使用打印機打印文檔，由于打印機的打印速度相對較慢，我們先把文檔輸出到打印機相應的緩沖區(qū)，打印機再自行逐步打印，這時我們的CPU可以處理別的事情。
現(xiàn)在您基本明白了吧，緩沖區(qū)就是一塊內存區(qū)，它用在輸入輸出設備和CPU之間，用來緩存數(shù)據(jù)。它使得低速的輸入輸出設備和高速的CPU能夠協(xié)調工作，避免低速的輸入輸出設備占用CPU，解放出CPU，使其能夠高效率工作。

緩沖區(qū)的類型
緩沖區(qū) 分為三種類型：全緩沖、行緩沖和不帶緩沖。
1、全緩沖
在這種情況下，當填滿標準I/O緩存后才進行實際I/O操作。全緩沖的典型代表是對磁盤文件的讀寫。
2、行緩沖
在這種情況下，當在輸入和輸出中遇到換行符時，執(zhí)行真正的I/O操作。這時，我們輸入的字符先存放在緩沖區(qū)，等按下回車鍵換行時才進行實際的I/O操作。典型代表是鍵盤輸入數(shù)據(jù)。
3、不帶緩沖
也就是不進行緩沖，標準出錯情況stderr是典型代表，這使得出錯信息可以直接盡快地顯示出來。
緩沖區(qū)的刷新
下列情況會引發(fā)緩沖區(qū)的刷新:
1、緩沖區(qū)滿時；
2、執(zhí)行flush語句；
3、執(zhí)行endl語句；
4、關閉文件。
可見，緩沖區(qū)滿或關閉文件時都會刷新緩沖區(qū)，進行真正的I/O操作。另外，在C++中，我們可以使用flush函數(shù)來刷新緩沖區(qū)（執(zhí)行I/O操作并清空緩沖區(qū)），如：
cout<<flush; //將顯存的內容立即輸出到顯示器上進行顯示

endl控制符的作用是將光標移動到輸出設備中下一行開頭處，并且清空緩沖區(qū)。
cout<<endl;
相當于
cout<<”\n” <<flush;

通過實例演示說明

1、文件操作演示全緩沖
創(chuàng)建一個控制臺工程，輸入如下代碼：

#include <fstream>
using namespace std;
int main()
{
//創(chuàng)建文件test.txt并打開
ofstream outfile("test.txt");
//向test.txt文件中寫入4096個字符’a’
for(int n=0;n<4096;n++)
{
outfile<<'a';
}
//暫停，按任意鍵繼續(xù)
system("PAUSE");
//繼續(xù)向test.txt文件中寫入字符’b’，也就是說，第4097個字符是’b’
outfile<<'b';
//暫停，按任意鍵繼續(xù)
system("PAUSE");
return 0;
}

上面這段代碼很容易理解，已經在代碼內部作了注釋。
編寫這段小代碼的目的是驗證WindowsXP下全緩沖的大小是4096個字節(jié)，并驗證緩沖區(qū)滿后會刷新緩沖區(qū)，執(zhí)行真正的I/O操作。

編譯并執(zhí)行，運行結果如下：

此時打開工程所在文件夾下的test.txt文件，您會發(fā)現(xiàn)該文件是空的，這說明4096個字符“a”還在緩沖區(qū)，并沒有真正執(zhí)行I/O操作。敲一下回車鍵，窗口變?yōu)槿缦拢?br>
此時再打開test.txt文件，您就會發(fā)下該文件中已經有了4096個字符“a”。這說明全緩沖區(qū)的大小是4K（4096），緩沖區(qū)滿后執(zhí)行了I/O操作，而字符“b”還在緩沖區(qū)。
再次敲一下回車鍵，窗口變?yōu)槿缦拢?br>
此時再打開test.txt文件，您就會發(fā)現(xiàn)字符“b”也在其中了。這一步驗證了文件關閉時刷新了緩沖區(qū)。

2、鍵盤操作演示行緩沖
先介紹getchar()函數(shù)。
函數(shù)原型：int getchar(void);
說明：當程序調用getchar()函數(shù)時，程序就等著用戶按鍵，用戶輸入的字符被存放在鍵盤緩沖區(qū)中，直到用戶按回車為止（回車字符也放在緩沖區(qū)中）。當用戶鍵入回車之后，getchar()函數(shù)才開始從鍵盤緩沖區(qū)中每次讀入一個字符。也就是說，后續(xù)的getchar()函數(shù)調用不會等待用戶按鍵，而直接讀取緩沖區(qū)中的字符，直到緩沖區(qū)中的字符讀完后，才重新等待用戶按鍵。
不知道您明白了沒有，再通俗一點講，當程序調用getchar()函數(shù)時，程序就等著用戶按鍵，并等用戶按下回車鍵返回。期間按下的字符存放在緩沖區(qū)，第一個字符作為函數(shù)返回值。繼續(xù)調用getchar()函數(shù)，將不再等用戶按鍵，而是返回您剛才輸入的第2個字符；繼續(xù)調用，返回第3個字符，直到緩沖區(qū)中的字符讀完后，才等待用戶按鍵。
如果您還沒有明白，只能怨我表達能力有限，您可以結合以下實例體會。

創(chuàng)建一個控制臺工程，輸入如下代碼：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
char c;
//第一次調用getchar()函數(shù)
//程序執(zhí)行時，您可以輸入一串字符并按下回車鍵，按下回車鍵后該函數(shù)才返回
c=getchar();
//顯示getchar()函數(shù)的返回值
cout<<c<<endl;
//暫停
system("PAUSE");
//循環(huán)多次調用getchar()函數(shù)
//將每次調用getchar()函數(shù)的返回值顯示出來
//直到遇到回車符才結束
while((c=getchar())!='\n')
{
printf("%c",c);
}
//暫停
system("PAUSE");
return 0;
}

這段小代碼也很簡單，同樣在代碼內部都有注釋。
getchar()函數(shù)的執(zhí)行就是采用了行緩沖。第一次調用getchar()函數(shù)，會讓程序使用者（用戶）輸入一行字符并直至按下回車鍵函數(shù)才返回。此時用戶輸入的字符和回車符都存放在行緩沖區(qū)。
再次調用getchar()函數(shù)，會逐步輸出行緩沖區(qū)的內容。
好了，本人表達能力有限，還是編譯運行程序，通過運行結果自己領會吧。

編譯運行程序，會提示您輸入字符，您可以交替按下一些字符，如下：

您一直按下去，您就會發(fā)現(xiàn)當您按到第4094個字符時，不允許您繼續(xù)輸入字符。這說明行緩沖區(qū)的大小也是4K。
此時您按下回車鍵，返回第一個字符’a’，如下圖：

繼續(xù)敲一下回車鍵，將緩沖區(qū)的其它的字符全部輸出，如下圖：