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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/printfstd::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 printfstd::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/std::coutscanf/printf

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::cinstd::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

scanfprintf 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

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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 * 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

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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。其本质为一次性将输入文件读入一个巨大的缓存区,如此比逐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,所以先一次性读到缓存区里再从缓存区读入要快的多。

更通用的是 fread ,因为 mmap 不能在 Windows 环境下使用。

fread 类似于参数为 "%s"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

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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, 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。

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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 = 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

printfscanf 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

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实现了对于自定类型的输入输出优化,从而简化这一步骤(注意不适用于字符和实数)。

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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

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a = read<int>();
b = read<long long>();
c = read<__int128>();

完整带调试版

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#define DEBUG 1  //调试开关
namespace IO {
#define isdigit(x) x >= '0' && x <= '9'
const int MAXSIZE = 1 << 20;
inline char gc() {
#if DEBUG  //调试,可显示字符
  return getchar();
#endif
  static char buf[MAXSIZE], *p1 = buf + MAXSIZE, *p2 = buf + MAXSIZE;
  if (p1 == p2) p2 = (p1 = buf) + fread(buf, 1, MAXSIZE, stdin);
  return p1 == p2 ? -1 : *p1++;
}
inline bool blank(char ch) {
  return ch == ' ' || ch == '\n' || ch == '\r' || ch == '\t';
}
template <class T>
inline void read(T &x) {
  register double tmp = 1;
  register bool sign = 0;
  x = 0;
  register 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 - 48);
  if (sign) x = -x;
}
inline void read(char *s) {
  register 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) {
  char pbuf[MAXSIZE], *pp = pbuf;
  if (pp - pbuf == MAXSIZE) fwrite(pbuf, 1, MAXSIZE, stdout), pp = pbuf;
  *pp++ = c;
}
template <class T>
inline void write(T x) {
  static T sta[35];
  T top = 0;
  do {
    sta[top++] = x % 10, x /= 10;
  } while (x);
#if DEBUG  //调试,可显示字符
  while (top) putchar(sta[--top] + '0');
  return;
#endif
  while (top) push(sta[--top] + '0');
}
template <class T>
inline void write(T x, char lastChar) {
  write(x), putchar(lastChar);  //打印末尾字符 ex.'\n'
}
}  // namespace IO
using namespace 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


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