C_C++：setvbuf()函数详解

火龙果吃凯琳

已于 2025-01-17 12:28:56 修改

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分类专栏： C/C++ 文章标签： c语言 c++ 开发语言

于 2025-01-17 11:48:15 首次发布

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setvbuf 是一个 C标准库函数，用于控制输出流的缓冲行为。它允许你设置流的缓冲方式、缓冲区的大小，以及是否使用自定义缓冲区。这个函数可以用于 stdin、stdout 或 stderr 等标准输入输出流，也可以用于其他文件流。

函数原型

int setvbuf(FILE *stream, char *buffer, int mode, size_t size);

参数说明：

stream：
- 这是一个指向 FILE 类型的指针，表示需要设置缓冲区的流。常见的值有：
  - stdout：标准输出流
  - stdin：标准输入流
  - stderr：标准错误流
  - 也可以是其他打开的文件流（通过 fopen 等函数获得）。
buffer：
- 这是一个字符数组指针，指向你希望用于缓冲的自定义缓冲区。如果传入 NULL，库函数将自动为该流分配缓冲区。
mode：
- 缓冲模式，用于指定缓冲区的工作方式。常见的缓冲模式有：
  - _IOFBF：全缓冲模式（Fully Buffered）。数据会被缓存在内存中，直到缓冲区满或者程序结束时才会写入目标设备。
  - _IOLBF：行缓冲模式（Line Buffered）。每当遇到换行符时，缓冲区会自动刷新，将内容写入目标设备。
  - _IONBF：无缓冲模式（No Buffering）。数据会立即写入设备，不使用任何缓冲区。
size：
- 指定缓冲区的大小（以字节为单位）。在全缓冲模式和行缓冲模式下，数据会被暂存于这个大小的缓冲区中。无缓冲模式下，这个参数被忽略。

返回值：

如果设置成功，setvbuf 返回 0。
如果出现错误（如无效的流或不允许的缓冲区大小），则返回非零值。

缓冲模式详解

全缓冲模式（_IOFBF）：
- 在全缓冲模式下，输出会先被缓存在缓冲区中，直到缓冲区满或者程序结束时才会写入目标设备。
- 这种模式通常用于性能要求较高的应用，能够减少频繁的写入操作。

示例：

setvbuf(stdout, nullptr, _IOFBF, 1024); // 设置为全缓冲模式，缓冲区大小为1024字节

行缓冲模式（_IOLBF）：
- 在行缓冲模式下，输出会被缓存在缓冲区中，每当遇到换行符（\n）时，缓冲区会被自动刷新，数据会立即输出到设备。
- 这通常是终端或交互式程序的默认行为，可以确保每一行的数据会在输出时立即显示。

示例：

setvbuf(stdout, nullptr, _IOLBF, 1024); // 设置为行缓冲模式，缓冲区大小为1024字节

无缓冲模式（_IONBF）：
- 在无缓冲模式下，所有输出都直接写入目标设备，不经过缓冲区。
- 这适用于需要实时显示输出的场景，比如实时日志记录、进度条等。

示例：

setvbuf(stdout, nullptr, _IONBF, 0); // 设置为无缓冲模式，缓冲区大小为0（不使用缓冲）

使用 `setvbuf` 的注意事项：

调用时机：
- setvbuf 必须在流的第一次使用之前调用。也就是说，它应该在打开流（如通过 fopen 打开文件）后、第一次进行读写操作之前调用。
自定义缓冲区：
- 如果你想为流提供一个自定义的缓冲区，可以传递一个指向字符数组的指针。如果不传递自定义缓冲区（即传递 nullptr），则库会为你分配一个缓冲区。
- 注意：当使用自定义缓冲区时，确保这个缓冲区在整个程序中有效，否则会导致未定义的行为。
线程安全：
- setvbuf 修改的是全局的标准流缓冲区，因此对于多线程程序，需要小心在多个线程中使用。确保适当地同步，以避免竞态条件。
对标准流的影响：
- 对 stdout、stdin、stderr 的缓冲区设置，通常会影响整个程序的输出行为。例如，将 stdout 设置为无缓冲模式会使所有标准输出的操作都没有缓冲。

示例：

以下是一个简单的示例，展示了如何使用 setvbuf 来控制 stdout 的缓冲模式：

#include <iostream>
#include <unistd.h> // 用于 sleep()
using namespace std;

int main() {
    // 设置 stdout 为无缓冲模式
    setvbuf(stdout, nullptr, _IONBF, 0); 
    
    cout << "Hello, world!"; // 立即输出
    sleep(2);                // 程序暂停2秒
    
    cout << " - This is a test."; // 立即输出

    return 0;
}

在这个例子中，stdout 被设置为无缓冲模式，因此 cout 的输出会立即显示，而不会被缓存。

按参数介绍

`buffer` 参数

buffer 是一个字符数组，用来指定自定义缓冲区。当我们设置缓冲模式时，我们可以提供一个自定义的缓冲区，而不是让 C 库为我们自动分配。如果不需要自定义缓冲区，可以将 buffer 设置为 nullptr，并让 C 库为流自动分配缓冲区。

作用：

如果你希望自己管理缓冲区，可以传入一个指向字符数组的指针。
如果传入 nullptr，系统会自动为流分配缓冲区。

实例：

下面的示例演示了如何传递一个自定义的缓冲区。

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;

int main() {
    char customBuffer[1024];  // 自定义缓冲区
    setvbuf(stdout, customBuffer, _IOFBF, sizeof(customBuffer)); // 设置全缓冲模式并使用自定义缓冲区
    
    cout << "This is using a custom buffer."; // 写入缓冲区
    cout << " You won't see this output immediately."; // 写入缓冲区
    
    return 0;
}

代码解析：

customBuffer 是一个字符数组，用作输出流的缓冲区。
setvbuf(stdout, customBuffer, _IOFBF, sizeof(customBuffer)) 设置 stdout 为全缓冲模式并使用 customBuffer 作为缓冲区。
数据会写入 customBuffer，并且只有缓冲区满或程序结束时才会被写入目标设备。

`size` 参数

size 参数决定了缓冲区的大小，单位是字节。它告诉程序分配多大的缓冲区。这个值会影响数据写入缓冲区的频率以及缓冲区的使用效率。

作用：

全缓冲模式 (_IOFBF) 和行缓冲模式 (_IOLBF)：缓冲区的大小会影响缓冲区满的频率。当缓冲区填满时，数据会被刷新到目标设备。
无缓冲模式 (_IONBF)：size 参数被忽略，因为在这种模式下，数据不会被缓冲，而是每次都立即写入设备。

实例：

我们可以通过不同的缓冲区大小，观察其对输出行为的影响：

#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main() {
    // 设置缓冲区大小为 8 字节
    char customBuffer[8];
    setvbuf(stdout, customBuffer, _IOFBF, sizeof(customBuffer));
    
    cout << "This is a long sentence that exceeds the buffer size.";
    sleep(2); // 程序暂停2秒
    return 0;
}

解释：

设置了一个大小为 16 字节的缓冲区。当输出内容写入缓冲区时，如果缓冲区的内容没有被刷新，程序会等待直到缓冲区满，或者在程序结束时刷新内容到标准输出。
在这个例子中，customBuffer 被作为缓冲区传递给 setvbuf，并且输出操作会依赖于缓冲区的大小。
如果输出内容比缓冲区的大小小，内容就会存储在缓冲区中，直到缓冲区满时才会被刷新。

影响：

如果缓冲区太小，输出操作会更频繁地被刷新，因为每次写入的内容可能填满缓冲区，导致刷新。
如果缓冲区太大，刷新操作会发生得较晚，直到缓冲区填满或程序结束时才刷新。

`stream`参数

setvbuf 函数的作用不仅限于标准输出流（stdout），还可以用于其他流，如标准错误流（stderr）和文件流。

stdout：标准输出流，通常用于打印信息到终端。
stderr：标准错误流，通常用于打印错误信息，它通常不会被缓冲，意味着它会立即显示出来，即使没有换行符。
文件流：当你通过 fopen 打开文件时，你也可以使用 setvbuf 来调整文件流的缓冲策略。

示例：使用 `setvbuf` 设置文件流的缓冲

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <unistd.h>
using namespace std;

int main() {
    // 打开文件以写入
    ofstream outFile("output.txt");
    
    // 设置文件流的缓冲区大小为 64 字节
    char customBuffer[64];
    setvbuf(outFile, customBuffer, _IOFBF, sizeof(customBuffer));
    
    // 向文件中写入内容
    outFile << "Hello, file!";
    sleep(2); // 程序暂停2秒
    outFile << " - This is a test.";
    outFile.close();
    
    return 0;
}

解释：

在这个例子中，我们通过 setvbuf 为 ofstream（文件输出流）设置了一个大小为 64 字节的缓冲区。当写入内容时，它会先存储在缓冲区中，直到缓冲区满时才会刷新到文件中，或者文件关闭时才会刷新缓冲区的内容。
通过这种方式，我们可以控制文件流的缓冲行为，提高输出效率。

总结：

setvbuf 是一个用来控制输出流缓冲行为的函数。它可以设置缓冲模式（全缓冲、行缓冲或无缓冲）以及缓冲区的大小。
size 参数：控制缓冲区的大小。在全缓冲模式和行缓冲模式下，这个参数决定了缓冲区的容量，从而影响缓冲区的刷新频率。在无缓冲模式下，size 参数没有影响。
文件流和其他流：setvbuf 不仅能控制 stdout，还可以控制 stderr 和文件流等其他流。每种流的缓冲行为可能会有所不同，特别是 stderr 通常是无缓冲的。
在需要控制缓冲区行为的情况下，使用 setvbuf 可以帮助你优化程序的输出行为，尤其是在需要实时显示输出或提高性能时。