C++ 输入输出详解：从概念、原理到多种优化讲解
原创
C++ 输入输出详解：从概念、原理到多种优化讲解
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万古教员有名言，自信人生二百年。
1. C++ 输入输出基础
在C++中，输入和输出操作是通过流（stream）进行的。流是一个抽象接口，它允许程序从源（如键盘、文件、网络等）读取数据，或者向目标（如屏幕、文件、网络等）写入数据。
C++标准库提供了一系列的流类，包括：
std::istream：用于输入操作的基础类。std::ostream：用于输出操作的基础类。std::iostream：用于输入和输出操作的基础类。std::ifstream：用于从文件读取数据的类。std::ofstream：用于向文件写入数据的类。std::fstream：用于文件的输入和输出操作的类。
这些类提供了一系列的成员函数，用于执行各种输入和输出操作，如read、write、get、put、getline等。
此外，C++还提供了一些预定义的流对象，用于标准输入、标准输出、标准错误和标准日志：
std::cin：标准输入流，通常用于从键盘读取数据。std::cout：标准输出流，通常用于向屏幕写入数据。std::cerr：标准错误流，通常用于输出错误信息。cerr是不经过缓冲直接输出。std::clog：标准日志流，通常用于输出日志和其他诊断信息。
以下是一个简单的输入输出示例：
#include <iostream>
int main() {
std::cout << "Enter a number: ";
int x;
std::cin >> x;
std::cout << "You entered " << x << std::endl;
return 0;
}2. C++ 输入输出原理
C++的输入输出操作是基于缓冲的。这意味着，当你向流写入数据时，数据首先被写入到一个内部的缓冲区，然后在适当的时候（如缓冲区满时，或者显式调用flush函数时）被写入到实际的目标。同样，当你从流读取数据时，数据首先从实际的源读取到一个内部的缓冲区，然后再从缓冲区读取到程序中。
这种基于缓冲的设计可以提高输入输出操作的性能，因为访问内存中的缓冲区通常比访问外部设备（如磁盘或网络）快得多。
3. C++ 输入输出优化
虽然C++的输入输出操作已经通过缓冲进行了优化，但是在某些情况下，我们还可以通过以下方式进一步提高性能：
1. 使用C++标准库中的I/O流
C++标准库中的I/O流是一种高级的输入输出机制，它提供了丰富的功能和良好的类型安全。然而，这些优点也带来了性能上的开销。如果你的程序需要处理大量的输入输出操作，那么使用C++标准库中的I/O流可能会导致程序运行速度变慢。
#include <iostream>
int main() {
int a, b;
std::cin >> a >> b;
std::cout << a + b << std::endl;
return 0;
}2. 使用C语言的输入输出函数
相比于C++的I/O流，C语言的输入输出函数（如scanf和printf）在性能上要优越一些。这是因为C语言的输入输出函数直接操作缓冲区，而不需要经过复杂的类型检查和格式转换。
#include <cstdio>
int main() {
int a, b;
scanf("%d%d", &a, &b);
printf("%d\n", a + b);
return 0;
}3. 使用快读快写
在处理大量数据时，可以使用快读快写来进一步优化输入输出操作。快读快写是一种直接操作缓冲区的技术，它可以大大减少系统调用的次数，从而提高程序的运行速度。
#include <cstdio>
inline int read() {
int x = 0, f = 1; char ch = getchar();
while (ch < '0' || ch > '9') { if (ch == '-') f = -1; ch = getchar(); }
while (ch >= '0' && ch <= '9') { x = x \* 10 + ch - '0'; ch = getchar(); }
return x \* f;
}
inline void write(int x) {
if (x < 0) { putchar('-'); x = -x; }
if (x > 9) write(x / 10);
putchar(x % 10 + '0');
}
int main() {
int a = read(), b = read();
write(a + b); putchar('\n');
return 0;
}4. 减少输入输出操作的次数
每次输入输出操作都有一定的开销，因此，减少输入输出操作的次数可以提高性能。例如，如果你需要从文件读取大量的数据，使用read函数一次读取多个数据通常比使用get函数多次读取单个数据快。
#include <cstdio>
int main() {
int a[100];
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
scanf("%d", &a[i]);
}
return 0;
}5. 使用更大的缓冲区
缓冲区的大小会影响输入输出操作的性能。一般来说，更大的缓冲区可以提高性能，因为它可以减少需要访问外部设备的次数。你可以使用std::streambuf::pubsetbuf函数来设置缓冲区的大小。
#include <iostream>
#include <fstream>
int main() {
std::ifstream in("input.txt");
std::ofstream out("output.txt");
char inbuf[1024 \* 1024];
in.rdbuf()->pubsetbuf(inbuf, sizeof inbuf);
char outbuf[1024 \* 1024];
out.rdbuf()->pubsetbuf(outbuf, sizeof outbuf);
int a, b;
while (in >> a >> b) {
out << a + b << '\n';
}
return 0;
}6. 使用异步输入输出
在某些情况下，你可以使用异步输入输出来提高性能。异步输入输出允许程序在等待输入输出操作完成的同时执行其他任务。C++标准库并没有直接提供异步输入输出的支持，但是你可以使用多线程或者特定平台的API来实现。
#include <iostream>
#include <thread>
#include <future>
int main() {
auto future = std::async(std::launch::async, [] {
int a, b;
std::cin >> a >> b;
return a + b;
});
// do something else...
std::cout << future.get() << std::endl;
return 0;
}7. 避免不必要的格式化
格式化操作（如将数字转换为字符串）通常比非格式化操作（如直接写入二进制数据）慢。因此，如果你不需要格式化数据，避免使用格式化操作可以提高性能。
#include <cstdio>
int main() {
int a = 12345;
fwrite(&a, sizeof a, 1, stdout);
return 0;
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原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。
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