为什么要有缓冲区

众所周知，相对于 CPU 的指令执行和主存访问，I/O 操作是非常慢的。这也就是说，在不考虑缓冲区的情况下，如果程序有频繁的 I/O 操作，那么相当于程序的「高速」部分就会被频繁打断。这对于程序的整体性能是不利的。有了缓冲区，程序就可以避免频繁的 I/O 操作，而是对缓冲区进行读写，只有在必须的情况下，才通过刷新缓冲区进行真实的 I/O 操作。这样一来，程序就能将多个缓慢的 I/O 操作合并成一个，从而在整体上提高了程序的性能。

缓冲区需要做那些工作

从上一节的描述中，不难发现缓冲区向上连接了程序的输入输出请求，向下连接了真实的 I/O 操作。作为中间层，必然需要分别处理好与上下两层之间的接口，以及要处理好上下两层之间的协作。（后者即是中间层本身的功能）

在 C++ 中，流的缓冲区之基类是定义在 streambuf 头文件当中的 std::basic_streambuf。这是一个类模板；其声明如下：

template<
    class CharT,
    class Traits = std::char_traits<CharT>
> class basic_streambuf;

std::basic_streambuf 包含两个字符序列，并提供对这两个序列控制和访问的能力：

• 受控字符序列（controlled character sequence）：又称缓冲序列（buffer sequence），由读取区（get area）和/或写入区（put area）组成。此二者分别用来缓冲上层流的读写操作。
• 关联字符序列（associated character sequence）：对于输入流来说又称源（source），对于输出流来说又称槽（sink）。关联字符序列通常是通过系统 API 与 I/O 设备关联，或是与 std::vector/array/字符串字面值等能作为源或槽的对象关联。

对于关联字符序列来说，需要 std::basic_streambuf 自己实现的功能不多。因为，大多数情况可通过系统 API 或是相关对象的接口来实现。std::basic_streambuf 大多数的功能集中在对受控字符序列的管理上。

读取区或写入区，通常实现为相应 CharT 的 C 风格数组，并辅以 3 个指针，以实现对受控字符序列的控制：

• 起始指针（beginning pointer）：用于标识相应缓冲序列可用范围的起始位置；
• 终止指针（end pointer）：用于标识相应缓冲序列可用范围的尾后位置；
• 工作指针（next pointer）：指向相应缓冲序列中，下一个等待读/写的元素的位置。

若是一个受控字符序列单单是读取区或写入区，则它必然有这三个指针；若一个受控字符序列同时是读取区和写入区，那么则有两套共六个这样的指针。通过这些指针，std::basic_streambuf 就能实现对换受控字符序列的控制。

流中的缓冲区

在头文件 ios 当中，定义着两个类（模板）：std::ios_base 和 std::basic_ios。前者是所有 I/O 类的祖先，提供了状态信息、控制信息、内部存储、回调等设施。后者继承自前者，额外提供了与 std::basic_streambuf 的接口；同时允许多个 std::basic_ios 对象绑定同一个 std::basic_streambuf 对象。它们的声明分别是：

class ios_base;  
template<  
class CharT,  
class Traits = std::char_traits<CharT>  
> class basic_ios; // : public ios_base

由于 std::ios_base 没有提供与 std::basic_streambuf 的接口，std::basic_ios 才是标准库内所有 I/O 类（模板）事实上的最近共同祖先。std::basic_ios 的成员函数 rdbuf 是读取和设置流对象（std::basic_ios 的对象）绑定缓冲区的成员函数，它有两个不同的重载形式，分别如下：

std::basic_streambuf<CharT, Traits>*
rdbuf() const;                                      // 1.
std::basic_streambuf<CharT, Traits>*
rdbuf( std::basic_streambuf<CharT, Traits>* sb );   // 2.

两个重载版本，第一版不接受任何参数，第二版接受一个指向 std::basic_streambuf<CharT, Traits> 类型对象的指针。

不接受参数的版本返回流对象绑定的缓冲区对象的指针；而若流对象未绑定任何缓冲区对象，则返回空指针 nullptr。接受指针的版本首先返回上述指针，而后与先前绑定的缓冲区对象（如果有）解绑，再绑定参数中传入指针指向的缓冲区对象；而若传入空指针 nullptr，则流对象不与任何缓冲区对象绑定。