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读入、输出优化

在默认情况下， std::cin(std::cout) 是极为迟缓的读入（输出）方式，而 scanf(printf) 比 std::cin(std::cout) 快得多。

可是为什么会这样呢？有没有什么办法解决读入输出缓慢的问题呢？

关闭同步/解除绑定

std::ios::sync_with_stdio(false)

这个函数是一个“是否兼容 stdio”的开关，C++ 为了兼容 C，保证程序在使用了 printf 和 std::cout 的时候不发生混乱，将输出流绑到了一起。

这其实是 C++ 为了兼容而采取的保守措施。我们可以在 IO 之前将 stdio 解除绑定，这样做了之后要注意不要同时混用 std::cout 和 printf 之类

tie

tie 是将两个 stream 绑定的函数，空参数的话返回当前的输出流指针。

在默认的情况下 std::cin 绑定的是 std::cout ，每次执行 << 操作符的时候都要调用 flush() ，这样会增加 IO 负担。可以通过 std::cin.tie(0) （0 表示 NULL）来解除 std::cin 与 std::cout 的绑定，进一步加快执行效率。

代码实现

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std::ios::sync_with_stdio(false);
std::cin.tie(0);
// 如果编译开启了 C++11 或更高版本，建议使用 std::cin.tie(nullptr);

读入优化

scanf 和 printf 依然有优化的空间，这就是本章所介绍的内容——读入和输出优化。

  • 注意，读入和输出优化均针对整数，不支持其他类型的数据

原理

众所周知， getchar 是用来读入 char 类型，且速度很快，用“读入字符——转换为整形”来代替缓慢的读入

每个整数由两部分组成——符号和数字

整数的 '+' 通常是省略的，且不会对后面数字所代表的值产生影响，而 '-' 不可省略，因此要进行判定

10 进制整数中是不含空格或除 0~9 和正负号外的其他字符的，因此在读入不应存在于整数中的字符（通常为空格）时，就可以判定已经读入结束

C 和 C++ 语言分别在 ctype.h 和 cctype 头文件中，提供了函数 isdigit , 这个函数会检查传入的参数是否为十进制数字字符，是则返回 true ，否则返回 false 。对应的，在下面的代码中，可以使用 isdigit(ch) 代替 ch >= '0' && ch <= '9' ，而可以使用 !isdigit(ch) 代替 ch <'0' || ch> '9'

代码实现

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int read() {
  int x = 0, w = 1;
  char ch = 0;
  while (ch < '0' || ch > '9') {  // ch 不是数字时
    if (ch == '-') w = -1;        // 判断是否为负
    ch = getchar();               // 继续读入
  }
  while (ch >= '0' && ch <= '9') {  // ch 是数字时
    x = (x << 3) + (x << 1) + ch - '0';  // 将新读入的数字’加’在 x 的后面
    // x<<3==x*8  x<<1==x*2  所以 (x<<3)+(x<<1) 相当于 x*10
    // x 是 int 类型，char 类型的 ch 和 ’0’ 会被自动转为其 ASCII
    // 表中序号，相当于将 ch 转化为对应数字
    ch = getchar();  // 继续读入
  }
  return x * w;  // 数字 * 正负号 = 实际数值
}
  • 举例

读入 num 可写为 num=read();

输出优化

原理

同样是众所周知， putchar 是输出单个字符

因此将数字的每一位转化为字符输出以加速

要注意的是，负号要单独判断输出，并且每次 %（mod）取出的是数字末位，因此要倒序输出

代码实现

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int write(int x) {
  if (x < 0) {  // 判负 + 输出负号 + 变原数为正数
    x = -x;
    putchar('-');
  }
  if (x > 9) write(x / 10);  // 递归，将除最后一位外的其他部分放到递归中输出
  putchar(x % 10 + '0');  // 已经输出（递归）完 x 末位前的所有数字，输出末位
}

但是递归实现常数是较大的，我们可以写一个栈来实现这个过程

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inline void write(int x) {
  static int sta[35];
  int top = 0;
  do {
    sta[top++] = x % 10, x /= 10;
  } while (x);
  while (top) putchar(sta[--top] + 48);  // 48 是 '0'
}
  • 举例

输出 num 可写为 write(num);

更快的读入/输出优化

通过 fread 或者 mmap 可以实现更快的读入。其本质为一次性读入一个巨大的缓存区，如此比一个一个字符读入要快的多 ( getchar , putchar ）。因为硬盘的多次读写速度是要慢于内存的，先一次性读到内存里在读入要快的多。

更通用的是 fread ，因为 mmap 不能在 Windows 使用。

fread 类似于 scanf("%s") ，不过它更为快速，而且可以一次性读入若干个字符（包括空格换行等制表符），如果缓存区足够大，甚至可以一次性读入整个文件。

对于输出，我们还有对应的 fwrite 函数

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std::size_t fread(void* buffer, std::size_t size, std::size_t count,
                  std::FILE* stream);
std::size_t fwrite(const void* buffer, std::size_t size, std::size_t count,
                   std::FILE* stream);

使用示例： fread(Buf, 1, MAXSIZE, stdin) ，如此从 stdin 文件流中读入 MAXSIZE 个大小为 1 的字符到 Buf 中。

读入之后的使用就跟普通的读入优化相似了，只需要重定义一下 getchar。它原来是从文件中读入一个 char，现在变成从 Buf 中读入一个 char，也就是头指针向后移动一位。

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char buf[1 << 20], *p1, *p2;
#define gc()                                                               \
  (p1 == p2 && (p2 = (p1 = buf) + fread(buf, 1, 1 << 20, stdin), p1 == p2) \
       ? EOF                                                               \
       : *p1++)

fwrite 也是类似的，先放入一个 OutBuf[MAXSIZE] 中，最后通过 fwrite 一次性将 OutBuf 输出。

参考代码：

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namespace IO {
const int MAXSIZE = 1 << 20;
char buf[MAXSIZE], *p1, *p2;
#define gc()                                                               \
  (p1 == p2 && (p2 = (p1 = buf) + fread(buf, 1, MAXSIZE, stdin), p1 == p2) \
       ? EOF                                                               \
       : *p1++)
inline int rd() {
  int x = 0, f = 1;
  char c = nc();
  while (!isdigit(c)) {
    if (c == '-') f = -1;
    c = nc();
  }
  while (isdigit(c)) x = (x << 1) + (x << 3) + (c ^ 48), c = nc();
  return x * f;
}
char pbuf[1 << 20], *pp = pbuf;
inline void push(const char &c) {
  if (pp - pbuf == 1 << 20) fwrite(pbuf, 1, 1 << 20, stdout), pp = pbuf;
  *pp++ = c;
}
inline void write(int x) {
  static int sta[35];
  int top = 0;
  do {
    sta[top++] = x % 10, x /= 10;
  } while (x);
  while (top) push(sta[--top] + '0');
}
}  // namespace IO

输入输出的缓冲

printf 和 scanf 是有缓冲区的。这也就是为什么，如果输入函数紧跟在输出函数之后/输出函数紧跟在输入函数之后可能导致错误。

刷新缓冲区

  1. 程序结束
  2. 关闭文件
  3. printf 输出 \r 或者 \n 到终端的时候（注：如果是输出到文件，则不会刷新缓冲区）
  4. 手动 fflush()
  5. 缓冲区满自动刷新
  6. cout 输出 endl

参考

http://www.hankcs.com/program/cpp/cin-tie-with-sync_with_stdio-acceleration-input-and-output.html

http://meme.biology.tohoku.ac.jp/students/iwasaki/cxx/speed.html

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