编辑“︁C++ 流缓冲区”︁

{{Note|本条目详细讲解C++流缓冲区的概念、工作机制和应用场景，适合从初学者到高级开发者阅读。}}

== 概述 ==
'''C++流缓冲区'''（Stream Buffers）是C++输入/输出系统（I/O Streams）的核心组件，负责数据在内存与外部设备（如文件、控制台等）之间的高效传输。它作为流（如<code>std::iostream</code>）与物理设备间的中间层，管理数据的缓冲和同步。

流缓冲区的主要功能包括：
* 数据缓冲：减少直接I/O操作次数，提升性能。
* 字符序列处理：按需编码或解码数据（如换行符转换）。
* 同步控制：协调多线程环境下的数据访问。

== 核心类与继承关系 ==
C++标准库中，流缓冲区通过<code>std::basic_streambuf</code>模板类实现，其常用特化版本为<code>std::streambuf</code>（字符流）和<code>std::wstreambuf</code>（宽字符流）。关键派生类包括：
* <code>std::filebuf</code>：文件I/O缓冲区
* <code>std::stringbuf</code>：字符串缓冲区

<mermaid>
classDiagram
    class basic_streambuf {
        +pubsetg()
        +pubsetp()
        +sgetc()
        +sbumpc()
        +sputc()
    }
    class streambuf {
        +setbuf()
        +sync()
    }
    class filebuf {
        +open()
        +close()
    }
    class stringbuf {
        +str()
    }
    basic_streambuf <|-- streambuf
    streambuf <|-- filebuf
    streambuf <|-- stringbuf
</mermaid>

== 缓冲区工作机制 ==
流缓冲区通过三个指针区域管理数据：
1. '''输入序列'''（get area）：<code>gptr</code>（当前读取位置）、<code>eback</code>（起始位置）、<code>egptr</code>（结束位置）
2. '''输出序列'''（put area）：<code>pptr</code>（当前写入位置）、<code>pbase</code>（起始位置）、<code>epptr</code>（结束位置）

当缓冲区满或显式刷新时，数据会从输出序列写入设备；当输入序列耗尽时，从设备读取新数据。

=== 数学表示 ===
缓冲区状态可通过指针关系描述：
<math>
\begin{cases}
\text{输入可用数据量} = \text{egptr} - \text{gptr} \\
\text{输出剩余空间} = \text{epptr} - \text{pptr}
\end{cases}
</math>

== 代码示例 ==
=== 基础操作示例 ===
<syntaxhighlight lang="cpp">
#include <iostream>
#include <sstream>

int main() {
    std::stringbuf buffer;  // 创建字符串缓冲区
    std::ostream os(&buffer);  // 关联输出流
    
    os << "Hello, Buffer!";  // 写入数据到缓冲区
    std::cout << "Buffer content: " << buffer.str() << std::endl;
    
    // 手动提取缓冲区内容
    std::istream is(&buffer);
    std::string data;
    is >> data;  // 读取第一个单词
    std::cout << "Extracted: " << data << std::endl;
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

'''输出：'''
<pre>
Buffer content: Hello, Buffer!
Extracted: Hello,
</pre>

=== 自定义缓冲区示例 ===
创建派生类实现大写转换过滤器：
<syntaxhighlight lang="cpp">
#include <streambuf>
#include <cctype>

class UpperCaseBuf : public std::streambuf {
protected:
    int_type overflow(int_type c) override {
        if (c != EOF) {
            c = std::toupper(c);
            if (putchar(c) == EOF) return EOF;
        }
        return c;
    }
};

int main() {
    UpperCaseBuf buf;
    std::ostream out(&buf);
    out << "this becomes uppercase" << std::endl;
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

'''输出：'''
<pre>
THIS BECOMES UPPERCASE
</pre>

== 实际应用场景 ==
1. '''高性能日志系统'''：自定义缓冲区实现批量写入和日志轮转
2. '''网络通信'''：缓冲网络数据包以减少系统调用
3. '''数据过滤'''：如示例中的大小写转换、加密/解密流

== 高级主题 ==
=== 缓冲区同步 ===
调用<code>sync()</code>强制将输出序列写入设备：
<syntaxhighlight lang="cpp">
std::filebuf fb;
fb.open("test.txt", std::ios::out);
fb.sputn("Unsynced data", 13);
fb.pubsync();  // 强制同步到文件
</syntaxhighlight>

=== 区域设置支持 ===
流缓冲区可通过<code>imbue()</code>方法处理本地化字符集：
<syntaxhighlight lang="cpp">
std::wbuffer_convert<std::codecvt_utf8<wchar_t>> conv;
std::wcout.rdbuf(conv.rdbuf());
std::wcout << L"UTF-8宽字符输出";
</syntaxhighlight>

== 常见问题 ==
{| class="wikitable"
|-
! 问题 !! 解决方案
|-
| 数据未及时写入 || 调用<code>flush()</code>或设置<code>std::unitbuf</code>
|-
| 缓冲区溢出 || 检查<code>epptr - pptr</code>剩余空间
|-
| 多线程竞争 || 使用<code>std::mutex</code>保护缓冲区操作
|}

== 性能优化建议 ==
* 调整缓冲区大小（默认通常为4KB）：
<syntaxhighlight lang="cpp">
char mybuf[8192];
std::ifstream in;
in.rdbuf()->pubsetbuf(mybuf, 8192);
</syntaxhighlight>
* 避免频繁小数据写入（批处理优先）
* 对时间敏感操作禁用缓冲（<code>std::nounitbuf</code>）

{{See also|C++文件操作|C++流状态管理}}

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[[Category:C++]]
[[Category:C++ 文件与流]]