C++流缓冲区与国际化编程全解析

### C++ 流缓冲区与国际化编程全解析 #### 1. 流缓冲区使用示例 以下是一个使用流缓冲区的示例代码： ```cpp // io/inbuf1.cpp #include <iostream> #include "inbuf1.hpp" int main() { inbuf ib; // create special stream buffer std::istream in(&ib); // initialize input stream with that buffer char c; for (int i = 1; i <= 20; i++) { // read next character (out of the buffer) in.get(c); // print that character (and flush) std::cout << c << std::flush; // after eight characters, put two characters back into the stream if (i == 8) { in.unget(); in.unget(); } } std::cout << std::endl; } ``` 该程序在循环中读取字符并输出。当读取到第 8 个字符后，会将两个字符放回流中，因此第 7 和第 8 个字符会被打印两次。 #### 2. 性能问题 在 I/O 操作对性能至关重要的应用中，虽然流类通常效率较高，但仍有进一步优化的空间。 ##### 2.1 与 C 标准流的同步 默认情况下，8 个 C++ 标准流（4 个窄字符流 `cin`、`cout`、`cerr` 和 `clog` 及其宽字符对应流）与 C 标准库中的相应文件同步。这种同步可能会带来不必要的开销，例如使用标准 C 文件实现标准 C++ 流会抑制相应流缓冲区的缓冲功能。 为了切换到更好的实现方式，`ios_base` 类定义了静态成员函数 `sync_with_stdio()`，其相关信息如下表所示： | 静态函数 | 含义 | | --- | --- | | `sync_with_stdio()` | 返回标准流对象是否与标准 C 流同步以及是否支持并发 | | `sync_with_stdio(false)` | 禁用 C++ 和 C 流的同步（必须在任何 I/O 操作之前调用） | 要禁用同步，可使用以下代码： ```cpp std::ios::sync_with_stdio(false); // disable synchronization ``` 需要注意的是，必须在进行任何其他 I/O 操作之前禁用同步，否则会导致实现定义的行为。该函数返回上一次调用时传入的值，如果之前未调用过，则返回 `true`，以反映标准流的默认设置。自 C++11 起，禁用与标准 C 流的同步也会禁用并发支持。 ##### 2.2 流缓冲区的缓冲 缓冲 I/O 对于提高效率非常重要。一方面，系统调用通常比较昂贵，应尽量避免；另一方面，在 C++ 中，格式化 I/O 函数使用流缓冲区迭代器访问流，操作流缓冲区迭代器比操作指针慢。 然而，有三个方面会影响有效缓冲： 1. **实现简单性**：无缓冲地实现流缓冲区通常更简单。如果相应的流不经常使用或仅用于输出，缓冲可能不是那么重要。但对于频繁使用的流缓冲区，应实现缓冲。 2. **刷新标志**：`unitbuf` 标志会使输出流在每次输出操作后刷新，`flush` 和 `endl` 操纵符也会刷新流。为了获得最佳性能，应尽量避免使用这三个。但在向控制台写入时，在写入完整行后刷新流可能仍然是合理的。如果程序大量使用 `unitbuf`、`flush` 或 `endl`，可以考虑使用特殊的流缓冲区。 3. **流绑定**：使用 `tie()` 函数绑定流会导致额外的刷新操作，因此只有在确实必要时才应绑定流。 在实现新的流缓冲区时，可以先不实现缓冲，若发现该流缓冲区成为性能瓶颈，再实现缓冲，而不会影响应用程序的其他部分。 ##### 2.3 直接使用流缓冲区 `basic_istream` 和 `basic_ostream` 类中读写字符的成员函数遵循相同的模式：首先构造一个相应的哨兵对象，然后执行操作。对于无格式 I/O，大多数操作通常是无用的，只有在多线程环境中使用流时，锁定操作可能有用。因此，在进行无格式 I/O 时，直接使用流缓冲区可能更好。 可以使用 `<<` 和 `>>` 运算符与流缓冲区进行交互： - **输出设备输入**：通过将流缓冲区的指针传递给 `<<` 运算符，可以输出其设备的所有输入，这可能是使用 C++ I/O 流复制文件的最快方法。示例代码如下： ```cpp // io/copy1.cpp #include <iostream> int main () { // copy all standard input to standard output std::cout << std::cin.rdbuf(); } ``` - **直接读取到流缓冲区**：通过将流缓冲区的指针传递给 `>>` 运算符，可以直接将数据读取到流缓冲区。示例代码如下： ```cpp // io/copy2.cpp #include <iostream> int main () { // copy all standard input to standard output std::cin >> std::noskipws >> std::cout.rdbuf(); } ``` 需要注意的是，必须清除 `skipws` 标志，否则会跳过输入的前导空白字符。 即使对于格式化 I/O，直接使用流缓冲区也可能是合理的。例如，在循环中读取多个数值时，只需构造一个在整个循环执行期间都存在的哨兵对象，然后在循环中手动跳过空白字符，使用 `num_get` 方面直接读取数值。 需要注意的是，流缓冲区本身没有错误状态，也不知道连接到它的输入或输出流。因此，调用 `out << in.rdbuf();` 不会因失败或文件结束而改变 `in` 的错误状态。 #### 3. 国际化 随着全球市场的重要性日益增加，软件开发中的国际化（i18n）也变得越来越重要。C++ 标准库提供了编写国际化程序的概念，主要影响 I/O 和字符串处理。 ##### 3.1 国际化的重要方面 国际化涉及两个重要方面： 1. **字符集特性**：不同的字符集具有不同的特性，对于字符集超过 256 个字符的情况，`char` 类型不足以表示字符，需要灵活的解决方案。 2. **本地约定**：程序用户期望看到遵循本国或文化约定的内容，如日期、货币值、数字和布尔值的格式。 C++ 标准库使用 `locale` 对象来表示可扩展的方面集合，以适应特定的本地约定。大多数国际化机制对程序员来说只需要进行最少的额外工作，例如在使用 C++ 流机制进行 I/O 时，数值会根据某个 `locale` 的规则进行格式化，程序员只需指示 I/O 流类使用用户的偏好。此外，程序员还可以直接使用 `locale` 对象进行格式化、排序、字符分类等操作。 ##### 3.2 C++11 中的新特性 C++11 为本地化库添加了许多重要特性： - 对于 `locale` 和 `facet`，现在可以传递 `