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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。

注意

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.tie() 绑定的是 &std::cout，每次进行格式化输入的时候都要调用 std::cout.flush() 清空输出缓冲区，这样会增加 IO 负担。可以通过 std::cin.tie(nullptr) 来解除绑定，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：

C++
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std::cout << "Please input your name: "
          << std::flush;  // 或者: std::endl;
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                          // 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

C++
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std::ios::sync_with_stdio(false);
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'，也可以使用 !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

C++
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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。

C++
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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。

同时 fread 和 mmap 由于是整段整段读取、写入，所以比 getchar()/putchar() 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。

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。

C++
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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 {
constexpr 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++)

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;

void push(const char &c) {
  if (pp - pbuf == 1 << 20) fwrite(pbuf, 1, 1 << 20, stdout), pp = pbuf;
  *pp++ = c;
}

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

mmap 是 linux 系统调用，可以将文件一次性地映射到内存中。在一些场景下有更优的速度。

注意 mmap 不能在 Windows 环境下使用（例如 CodeForces 的 tester），同时也不建议在正式赛场上使用，可以在卡常时使用。在使用前要引入 fcntl.h，unistd.h，sys/stat.h 与 sys/mman.h。

读入示例：首先要获取文件描述符 fd，然后通过 fstat 获取文件信息以得到文件大小，此后通过 char *pc = (char *) mmap(NULL, state.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0); 将指针 *pc 指向我们的文件。可以直接用 *pc ++ 替代 getchar()。

当我们要提交不使用文件操作的题目时，可以将 fd 设为 0，表示从 stdin 读入。但是，对 stdin 使用 mmap 是极其危险的行为，同时不能在终端输入，我们不建议您这么做。

参考代码
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#include <bits/stdc++.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
char *pc;

int rd() {
  int x = 0, f = 1;
  char c = *pc++;
  while (!isdigit(c)) {
    if (c == '-') f = -1;
    c = *pc++;
  }
  while (isdigit(c)) x = x * 10 + (c ^ 48), c = *pc++;
  return x * f;
}

int main() {
  int fd = open("*.in", O_RDONLY);
  struct stat state;
  fstat(fd, &state);
  pc = (char *)mmap(NULL, state.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
  close(fd);
  printf("%d", rd());
}

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。

刷新输出缓冲区的条件

  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；
  7. 手动 cout.flush()。

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。

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// 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()
template <typename T>
T 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>();

示例代码

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// #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
  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++;
  }

  bool blank(char ch) {
    return ch == ' ' || ch == '\n' || ch == '\r' || ch == '\t';
  }

  template <class T>
  void read(T &x) {
    double tmp = 1;
    bool sign = false;
    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;
  }

  void read(char *s) {
    char ch = gc();
    for (; blank(ch); ch = gc());
    for (; !blank(ch); ch = gc()) *s++ = ch;
    *s = 0;
  }

  void read(char &c) { for (c = gc(); blank(c); c = gc()); }

  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>
  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>
  void write(T x, char lastChar) {
    write(x), push(lastChar);
  }
} io;

注意事项：

  • 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。
  • 若要进行文件读写，请在所有读写进行之前加入 freopen()。
例题：洛谷 P10815【模板】快速读入

读入 \(n\) 个范围在 \([-n, n]\) 的整数，求和并输出。其中 \(n \leq 10^8\)。数据保证对于序列的任何前缀，这个前缀的和在 \(32\) 位有符号整形的存储范围内。

参考

cin.tie 与 sync_with_stdio 加速输入输出 - 码农场

C++ 高速化 - Heavy Watal

'Re: mmap/mlock performance versus read' - MARC

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