C++ 输入输出的速度优化与实际测试

#TL;DR

使用下面的这段代码可以为标准 C++ 流的输入输出提速。

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const char endl = '\n';
std::ios::sync_with_stdio(false);
cin.tie(nullptr);

使用时有几个注意事项：

1. 关闭了流同步后，切莫将 C++ 风格的输入输出与 C 风格的输入输出（如 scanf 和 printf）混用，否则会造成意料之外的错误。
2. 如果需要清空缓冲区，请使用 std::flush 或者 std::endl。
3. cout.tie(nullptr) 在一般情况下是非必要的，因为其在初始化时并没有绑定其他流。

#原理

#关闭与标准 C 流之间的同步

根据 C++ Reference 上的描述：

std::ios_base::sync_with_stdio

1	static bool sync_with_stdio( bool sync = true );

设置标准 C++ 流是否与标准 C 流在每次输入/输出操作后同步。

标准 C++ 流为下列者：std::cin、std::cout、std::cerr、std::clog、std::wcin、std::wcout、std::wcerr 和 std::wclog。

标准 C 流为下列者：stdin、stdout 和 stderr。

对于与 C 流 f 同步的标准流 str，下列函数对拥有等同的效果：

1. std::fputc(f, c) 和 str.rdbuf()->sputc(c)
2. std::fgetc(f) 和 str.rdbuf()->sbumpc()
3. std::ungetc(c, f) 和 str.rdbuf()->sputbackc(c)

实践中，这表示同步的 C++ 流为无缓冲，而每次 C++ 流上的 I/O 都立即应用到对应 C 流的缓冲区。这使得能自由地混合 C++ 与 C I/O。

另外，同步的 C++ 流保证为线程安全（从多个线程输出的单独字符可能交错，但无数据竞争）。

若关闭同步，则允许 C++ 标准流独立地缓冲其 I/O ，可认为这在某些情况下更快。

所有八个标准 C++ 流默认与其相应的 C 流同步。

若在标准流上已出现 I/O 后调用此函数，则行为是实现定义的：有的实现无效果，有的实现销毁读取缓冲区。

可以得知以下信息：

1. C++ 为了保证兼容性，默认将标准 C++ 流的数据与标准 C 流同步，并将缓冲数据放置到标准 C 流的缓冲区中，但这样会减慢速度。
2. 当关闭同步时会导致程序的不同线程之间的 I/O 冲突，不过 OI 中并不涉及。
3. 在程序运行到产生首次输入输出后关闭同步的行为是由实现定义的。

那么可以通过关闭流同步的方式来解决第一点问题：

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std::ios::sync_with_stdio(false);

将这行代码放到主函数的起始位置即可。

由第三点信息可知，不能在运行时反复开启/关闭流同步，防止出现错误。

#使用 \n 代替 std::endl

根据 C++ Reference 上的描述：

std::endl

1 2	template< class CharT, class Traits > std::basic_ostream<CharT, Traits>& endl( std::basic_ostream<CharT, Traits>& os );

插入换行符到输出序列 os 并冲入它，如同调用 os.put(os.widen('\n')) 后随 os.flush()。

这是仅输出的 I/O 操纵符，可对任何 std::basic_ostream 类型的 out 以表达式 out << std::endl 调用它。

可以得知，在调用 std::endl 时不仅输出了换行符，而且还清空了缓冲区。众所周知，频繁清空缓冲区会导致程序运行速度的下降，所以应该尽量避免使用 std::endl 作为换行符。

那么可以通过使用 \n 来替代 std::endl 的做法来提升速度：

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const char endl = '\n';
// 或者（不推荐）
#define endl '\n'

不推荐使用 endl 的原因是，如果遇到特殊情况需要使用 std::endl 时，define 会将 std::endl 中的 endl 替换为 \n 导致编译错误。

#取消 cin 与 cout 之间的联系

根据 C++ Reference 上的描述：

std::basic_ios::tie

1 2	std::basic_ostream<CharT,Traits>* tie() const; // (1) std::basic_ostream<CharT,Traits>* tie( std::basic_ostream<CharT,Traits>* str ); // (2)

管理联系流。联系流是输出流，它与流缓冲（rdbuf()）所控制的输出序列同步，即在任何 *this 上的输入/输出操作前，在联系流上调用 flush()。

1. 返回当前联系流。若无联系流，则返回空指针。
2. 设置当前联系流为 str 。返回操作前的联系流。若无联系流，则返回空指针。

可以得知，如果一个流设置了联系流，在它进行输入/输出操作前会清除其联系流的缓冲区。众所周知，频繁清空缓冲区会导致程序运行速度的下降，所以如非必要，在竞赛中可以取消 std::cin 和 std::cout 间的联系以获得更快的输入输出速度：

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cin.tie(nullptr);

#无需使用 cout.tie(nullptr)

查看 ISO C++ 14 标准（ISO/IEC 14882:2014(E)，原文见文末附件）：

此处（第 999 页）并没有对 std::cout 的 tie() 赋初值。

在第 1012 页中，指明了 tie() 的初值为 0，即未绑定任何流。

所以，std::cout 在初始时并未与任何流产生绑定，所以无需取消 std::cout 与其他流的绑定。cout.tie(nullptr) 是多余的，可以删去。

#测试

输入数据为 LibreOJ 7. Input Test 的测试点 5，大小为 59.7 MB。测试选择在 LibreOJ 评测量较为平稳时进行。不用洛谷测试的原因是怕被管理封号，我自己的 LibreOJ 账号有管理权限不怕被封。

#结果

#代码

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#include <iostream>

using std::cin;
using std::cout;

// [1]: 换行符不同
const char endl = '\n';
// 或
// using std::endl;

unsigned long long x, ans;

int main() {
    // [2]: 是否与标准 C 流同步
    std::ios::sync_with_stdio(false);

    // [3]: 是否取消 cin 与其他流之间的关联
    cin.tie(nullptr);

    // [4]: 是否取消 cout 与其他流之间的关联
    cout.tie(nullptr);

    for (int i = 0; i < 3000000; i++) {
        cin >> x;
        cout << (ans ^= x) << endl;
    }

    return 0;
}

#实际测试

#7. Input Test

• #1472987，O2 优化 + 读输优化，559 ms。
• #1473174，O2 优化，2207 ms。

#10145. 「一本通 4.6 练习 2」郁闷的出纳员

• #1472998，O2 优化 + 读输优化，253 ms。
• #1473175，O2 优化，399 ms。

#结语

感谢你完整阅读了本文。

通过本文，相信读者对 C++ 的输入/输出流又有了更深的认识。按照本文所叙述的方法去操作，你就可以获得一个媲美 scanf 和 printf 的速度的 C++ 风格的输入了。

如果本文中有笔者遗漏、编写错误的地方，欢迎指正。

#参考资料

1. std::basic_ios<CharT,Traits>::tie，C++ Reference，2021 年 1 月 1 日。
2. std::ios_base::sync_with_stdio，2017 年 11 月 23 日。
3. std::flush，2017 年 11 月 18 日。
4. 27.4 Standard iostream objects，ISO/IEC 14882:2014(E)。

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