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:
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代码实现
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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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- 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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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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- 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。
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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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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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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
- 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
;- 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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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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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()
。
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参考
cin.tie 与 sync_with_stdio 加速输入输出 - 码农场
'Re: mmap/mlock performance versus read' - MARC
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