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。
cin
/cout
与 scanf
/printf
的实际速度差会随编译器和操作系统的不同发生一定的改变。如果想要进行详细对比,请以实际测试结果为准。
下文将详细介绍读入输出的优化方法。
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。同步的输出流是线程安全的。
这其实是 C++ 为了兼容而采取的保守措施,也是使 cin
/cout
速度较慢的主要原因。我们可以在进行 IO 操作之前将 stdio 解除绑定,但是在这样做之后要注意不能同时使用 std::cin
和 scanf
,也不能同时使用 std::cout
和 printf
,但是可以同时使用 std::cin
和 printf
,也可以同时使用 scanf
和 std::cout
。
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()
来清理 stream buffer,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。
但需要注意的是,在解除了 std::cin
和 std::cout
的绑定后,程序中必须手动 flush
才能确保每次 std::cout
展现的内容可以在 std::cin
前出现。这是因为 std::cout
被 buffer 为默认设置。例如:
std::cout
<< "Please input your name: "
<< std::flush; // 或者: std::endl;
// 因为每次调用std::endl都会flush输出缓冲区,而 \n 则不会。
// 但请谨慎使用,过多的flush会影响程序效率
std::cin >> name;
代码实现
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,本页面中介绍的读入和输出优化均针对整型数据,若要支持其他类型的数据(如浮点数),可自行按照本页面介绍的优化原理来编写代码。
原理
众所周知,getchar
是用来读入 1 byte 的数据并将其转换为 char
类型的函数,且速度很快,故可以用“读入字符——转换为整型”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
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 * 10 + (ch - '0'); // 将新读入的数字’加’在 x 的后面
// x 是 int 类型,char 类型的 ch 和 ’0’ 会被自动转为其对应的
// ASCII 码,相当于将 ch 转化为对应数字
// 此处也可以使用 (x<<3)+(x<<1) 的写法来代替 x*10
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
是用来输出单个字符的函数
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
void 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
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。
fread
能将需要的文件部分读入内存缓冲区。mmap
则会调度内核级函数,将文件一次性地映射到内存中,类似于可以指针引用的内存区域。所以在日常程序读写时,只需要重复读取部分文件可以使用 fread
,因为如果用 mmap
反复读取一小块文件,做一次性内存映射并且内核处理 page fault 的花费会远比使用 fread
的内核级函数调度大。
一次性读入缓冲区的操作比逐个字符读入(getchar
,putchar
)要快的多。因为硬盘的多次读写速度是要慢于直接读取内存的,所以先一次性读到缓存区里再从缓存区读入要快的多。并且 mmap
确保了进程间自动共享,存储区如果可以也会与内核缓存分享信息,确保了更少的拷贝操作。
更通用的是 fread
,因为 mmap
不能在 Windows 环境下使用(例如 CodeForces 的 tester)。
fread
类似于参数为 "%s"
的 scanf
,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
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, SIZE, stdin)
,表示从 stdin 文件流中读入 SIZE 个大小为 1 byte 的数据块到 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。
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:
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 = gc();
while (!isdigit(c)) {
if (c == '-') f = -1;
c = gc();
}
while (isdigit(c)) x = x * 10 + (c ^ 48), c = gc();
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
- 程序结束
- 关闭文件
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)- 手动
fflush()
- 缓冲区满自动刷新
cout
输出endl
使输入输出优化更为通用
如果你的程序使用多个类型的变量,那么可能需要写多个输入输出优化的函数。下面给出的代码使用 C++ 中的 template
实现了对于所有整数类型的输入输出优化。
template <typename T>
inline T
read() { // 声明 template 类,要求提供输入的类型T,并以此类型定义内联函数 read()
T sum = 0, fl = 1; // 将 sum,fl 和 ch 以输入的类型定义
int ch = getchar();
for (; !isdigit(ch); ch = getchar())
if (ch == '-') fl = -1;
for (; isdigit(ch); ch = getchar()) sum = sum * 10 + ch - '0';
return sum * fl;
}
如果要分别输入 int
类型的变量 a,long long
类型的变量 b 和 __int128
类型的变量 c,那么可以写成
a = read<int>();
b = read<long long>();
c = read<__int128>();
完整带调试版
关闭调试开关时使用 fread()
,fwrite()
,退出时自动析构执行 fwrite()
。
开启调试开关时使用 getchar()
,putchar()
,便于调试。
若要开启文件读写时,请在所有读写之前加入 freopen()
。
// #define DEBUG 1 // 调试开关
struct IO {
#define MAXSIZE (1 << 20)
#define isdigit(x) (x >= '0' && x <= '9')
char buf[MAXSIZE], *p1, *p2;
char pbuf[MAXSIZE], *pp;
#if DEBUG
#else
IO() : p1(buf), p2(buf), pp(pbuf) {}
~IO() { fwrite(pbuf, 1, pp - pbuf, stdout); }
#endif
inline char gc() {
#if DEBUG // 调试,可显示字符
return getchar();
#endif
if (p1 == p2) p2 = (p1 = buf) + fread(buf, 1, MAXSIZE, stdin);
return p1 == p2 ? ' ' : *p1++;
}
inline bool blank(char ch) {
return ch == ' ' || ch == '\n' || ch == '\r' || ch == '\t';
}
template <class T>
inline void read(T &x) {
double tmp = 1;
bool sign = 0;
x = 0;
char ch = gc();
for (; !isdigit(ch); ch = gc())
if (ch == '-') sign = 1;
for (; isdigit(ch); ch = gc()) x = x * 10 + (ch - '0');
if (ch == '.')
for (ch = gc(); isdigit(ch); ch = gc())
tmp /= 10.0, x += tmp * (ch - '0');
if (sign) x = -x;
}
inline void read(char *s) {
char ch = gc();
for (; blank(ch); ch = gc())
;
for (; !blank(ch); ch = gc()) *s++ = ch;
*s = 0;
}
inline void read(char &c) {
for (c = gc(); blank(c); c = gc())
;
}
inline void push(const char &c) {
#if DEBUG // 调试,可显示字符
putchar(c);
#else
if (pp - pbuf == MAXSIZE) fwrite(pbuf, 1, MAXSIZE, stdout), pp = pbuf;
*pp++ = c;
#endif
}
template <class T>
inline void write(T x) {
if (x < 0) x = -x, push('-'); // 负数输出
static T sta[35];
T top = 0;
do {
sta[top++] = x % 10, x /= 10;
} while (x);
while (top) push(sta[--top] + '0');
}
template <class T>
inline void write(T x, char lastChar) {
write(x), push(lastChar);
}
} io;
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
贡献者:@Tifa@chaiHDU@Ir1dXD@Danni@mgt@NachtgeistW
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