小朋友学C++（22）：cin与scanf，cout与printf的效率比较

朱雀 2022-05-22 02:49 675阅读 0赞

# 一、生成测试数据 #

先把1000万个测试数据写入data.txt中

#include <iostream>
    #include <fstream>
    #include <ctime>
    using namespace std;
    
    const int num=10000000;
    
    int main()
    {
        ofstream fout("data.txt");
        clock_t t1, t2;
        t1 = clock();
        for(int i = 0; i < num; i++)
        {
            fout << i << ' ';
        }
        t2 = clock();
        cout << "Running time: " << t2 - t1 << " ms" << endl;
        return 0;
    }

运行结果：

4764 ms

电脑的配置为i7处理器，16G内存，运行时间接近5秒，生成的data.txt文件大小为77040k，即77M左右。

# 二、cin与scanf的效率比较 #

## （一） ##

#include<iostream>
    #include<ctime>
    #include<cstdio>
    using namespace std;
    const int num=10000000;
    int main()
    {
        freopen("data.txt", "r", stdin);
    
        int i, x;
        clock_t t1, t2;
        t1 = clock();
        for(i = 0; i < num;i++)
        {
            cin >> x;
        }
        t2 = clock();
        cout << "Runtime of cin: " << t2 - t1 << " ms" << endl;
    
        clock_t t3, t4;
        t3 = clock();
        for(i = 0; i < num;i++)
        {
            scanf("%d", &x);
        }
        t4 = clock();
        cout << "Runtime of scanf: " << t4 - t3 << " ms" << endl;
    
        return 0;
    }

运行结果：

Runtime of cin: 16363 ms
    Runtime of scanf: 13753 ms

分析：  
1 先要把测试数据文件data.txt拷贝到当前工程目录下  
2 stdin是C语言的标准输入流，表示先把data.txt中的数据读取到标准输入流里面，然后用cin >> x的时候，就不会要求用户从控制台输入数据，而是从stdin中读取数据  
3 从运行结果可以看出，输入1千万个数据，scanf的效率只比cin快一点。这与通常说的scanf效率远高于cin不符。（互联网随便一搜索都是scanf效率比cin高）  
这是因为，这里我使用的集成开发环境(IDE)是CodeBlocks，内置了G++，G++是C++的一种编译器，G++对cin和cout做了优化，会大幅提高cin和cout的效率。

![1.png][]

## （二）对cin进行加速 ##

下面两行代码可以提升cin和cout的效率

ios::sync_with_stdio(true);
        cin.tie(0);

完整代码为：

#include<iostream>
    #include<ctime>
    #include<cstdio>
    using namespace std;
    const int num=10000000;
    
    int main()
    {
        freopen("data.txt", "r", stdin);
    
        ios::sync_with_stdio(false);
        cin.tie(0);
    
        int i, x;
        clock_t t1, t2;
        t1 = clock();
        for(i = 0; i < num;i++)
        {
            cin >> x;
        }
        t2 = clock();
        cout << "Runtime of cin: " << t2 - t1 << " ms" << endl;
    
        clock_t t3, t4;
        t3 = clock();
        for(i = 0; i < num;i++)
        {
            scanf("%d", &x);
        }
        t4 = clock();
        cout << "Runtime of scanf: " << t4 - t3 << " ms" << endl;
    
        return 0;
    }

运行结果：

Runtime of cin: 4925 ms
    Runtime of scanf: 13777 ms

可以看到，加了两句代码后，cin的效率有了大幅提高，从16秒缩短为5秒！

# 三、sync\_with\_stdio与cin.tie分析 #

## （一）ios::sync\_with\_stdio() ##

sync\_with\_stdion的参数默认值为true，表示cin与scanf同步，cout与printf同步。

> 同步(sync)是什么意思呢？  
> 比如有几个人排队去打水，水龙头只有一个。那么只有前面的人打完水，后面的人才能打水，这种情况下，必然是排在前面的人比后面的人先打完水。  
> 与同步对应的是异步(async)，异步又是什么回事呢？  
> 比如有几个人排队去打水，水龙头有好多个。那么排在前面的人未必会比排在后面的人先打完水。比如排在第1位的人选了1号水龙头，排在第2位的人紧接着选了2号水龙头，假如2号水龙头出水的速度远大于1号水龙头，那么排在第2位的人，会比排在第1位的人先打完水。

同步和异步只有在cin和scanf（或cout与printf）混用的情况下才有意义。默认情况下执行的是`ios::sync_with_stdio(true)`，表示cin和scanf是按被程序调用的顺序先后执行的。

cin >> a;
    scanf("%d", &b);
    cin >> c;
    scanf("%d", &d);

这里的输入顺序一定是a, b, c, d。  
若改为`ios::sync_with_stdio(false)`，则输入顺序不一定是a,b,c,d。  
当使用了`ios::sync_with_stdio(false)`，cin和scanf，cout和printf就不要再混用了。因为异步可能会导致意想不到的后果。

## （二）cin.tie(0) ##

这里的tie表示绑定，在默认的情况下cin绑定的是cout，每次执行 << 操作符的时候都要调用flush（即清空缓存），这样会增加IO（输入输出）负担。可以通过tie(0)（0表示NULL）来解除cin与cout的绑定，进一步加快执行效率。

默认情况下`cout << "123" << endl;` 也可以写成`cin.tie() << "123" << endl;`  
cin.tie(0)等价于cin.tie(NULL)，表示不与任何输出流相绑定，即解绑了默认的cout。  
若此时再使用`cin.tie() << "123" << endl;` 编译器会报错。

可通过下面的程序来加深理解：

#include <iostream>
    #include <fstream>
    #include <windows.h>
    
    using namespace std;
    
    int main()
    {
        ostream *prevstr;
    
        ofstream ofs;                           // 文件输出流
        ofs.open("test.out");
    
        cout << "Example of tie method\n";      //直接输出至控制台窗口
    
        *cin.tie() << "Insert into cout\n";     // 空参数调用返回默认的output stream，也就是cout
    
        prevstr = cin.tie(&ofs);                // cin绑定新的输出流指针ofs，并返回上一次绑定的输流指针即cout
        *cin.tie() << "Insert into file\n";     // ofs，输出到文件test.out中
    
        cin.tie(prevstr);                       // 恢复原来的output stream，即cout
        *cin.tie() << "Insert into cout again\n";
    
        ofs.close();                            //关闭文件输出流
    
        return 0;
    }

运行结果：  
控制台上打印出

Example of tie method Insert into cout Insert into cout again

还生成了test.out文件，内容为

Insert into file

# 四、cout与printf的效率比较 #

## （一）在控制台输出10万个数据进行测试 ##

#include<iostream>
    #include<cstdio>
    #include<ctime>
    
    using namespace std;
    const int num=100000;
    
    int main()
    {
        int i;
        clock_t t5, t6;
        t5 = clock();
        for(i = 0; i < num;i++)
        {
            cout << i << ' ';
    
        }
        t6 = clock();
    
        clock_t t7, t8;
        t7 = clock();
        for(i = 0; i < num;i++)
        {
            printf("%d ", i);
        }
        t8 = clock();
    
        cout << endl << "Runtime of cout: " << t6 - t5 << " ms" << endl;
        cout << "Runtime of printf: " << t8 - t7 << " ms" << endl;
    
        return 0;
    }

运行结果：

Runtime of cout: 10852 ms
    Runtime of printf: 19753 ms

可以看出，cout运行效率比printf要高，这是G++编译器对cin和cout优化的结果。

## （二）对cout进行加速 ##

#include<iostream>
    #include<cstdio>
    #include<ctime>
    
    using namespace std;
    const int num=100000;
    
    int main()
    {
        ios::sync_with_stdio(false);
        cin.tie(0);
    
        int i;
        clock_t t5, t6;
        t5 = clock();
        for(i = 0; i < num;i++)
        {
            cout << i << ' ';
    
        }
        t6 = clock();
    
        clock_t t7, t8;
        t7 = clock();
        for(i = 0; i < num;i++)
        {
            printf("%d ", i);
        }
        t8 = clock();
    
        cout << endl << "Runtime of cout: " << t6 - t5 << " ms" << endl;
        cout << "Runtime of printf: " << t8 - t7 << " ms" << endl;
    
        return 0;
    }

运行结果：

Runtime of cout: 546 ms
    Runtime of printf: 19597 ms

可见加速后，cout的运行速度更快了。

# 五、结论 #

（1）scanf/printf需要格式化符号%d, %f, %c之类的，这是不如cin/cout方便的地方  
（2）cout在控制小数位输出时，很不方便。需要如此操作

#include<iomanip>
    cout << fixed << setprecision(5) << endl;   // 输出5位小数

（3）对于某些优化过cin和cout的编译器（比如G++）而言，cin/cout的运行效率比scanf/printf高。  
但是对于没做过优化的编译器，则是scanf/printf的效率大大高于cin/cout。互联网上能搜到的文章，几乎都是这种情况。这与本篇的实验结果恰好相反。  
（4）对于非算法比赛而言，用cin/cout或scanf/printf无所谓。  
（5）但是对于算法比赛而言，因为数据量大，经常会导致超时(TLE–Time limit exceeded)。此时可统一使用scanf/printf，或者使用加了`ios::sync_with_stdio(false); cin.tie(0)`的cin/cout。

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