跳转至

输入输出+Buffer

竞赛用法

ios::sync_with_stdio(false);
cin.tie(nullptr);

缓冲类型

  • 行缓冲
    • 设备：键盘（stdin）、屏幕（stdout）
    • 刷新时机：
      • \n
      • flush/cout.flush()，析构时自动 flush
      • 缓冲满了
      • 程序结束

        行缓冲的具体行为依赖于实现与运行环境，但该模式在交互式终端中最为常见 12。

  • 全缓冲
    • 设备：文件
    • 只有在缓冲区满或显式 flush 时才会真正写出 1
  • 无缓冲
    • stderr
    • 输出立即写入设备，主要用于错误信息 1

C Buffer

缓冲结构 File*

FILE *stdin;
FILE *stdout;

struct FILE {
    char* buffer;     // 指向缓冲区的指针
    int   buf_size;   // 缓冲区大小
    int   pos;        // 当前读/写位置
    int   mode;       // 读 / 写 / 行缓冲 / 全缓冲
    int   fd;         // 文件描述符（和内核交互）
};
在 C 标准中，FILE 被定义为不透明类型，其内部结构由实现决定，但可以确定的是： stdio 在用户态维护缓冲区，并通过系统调用与内核交互13。

函数

进缓冲区 ➡ 触发刷新 ➡ “交付”

  • scanf()：数据先进 stdin 缓冲区，遇到回车，才“交付”给程序
  • printf()：输出时，数据先进 stdio 缓冲区，触发刷新条件，才真正输出到屏幕3。

C++ Buffer

缓冲结构 cout

ostream cout
│
├── streambuf* sb   ← 关键！真正存数据的是 streambuf
│     └── char buffer[...]
│
└── 格式控制 / 类型系统

C++ I/O 的核心是 std::basic_streambuf，它负责真正的数据缓冲与指针管理 4。

// streambuf 的三指针模型
buffer memory:
┌------------------------------─┐
│ gptr        pptr        epptr │
└------------------------------─┘
  • gptr get pointer（读指针）
  • pptr put pointer（写指针）
  • epptr end put pointer（写区尾）

注意：这里的读写，均是以程序为主体而言的。

机制

  • pptr == epptr：
    • 触发 flush
    • 调用 write() 把整个 buffer 写入内核
    • 重置指针：pptr == buffer_begin45
  • gptr == epptr
    • 当前 buffer 已读空
    • 调用 read() 从内核 再读一批4
    • 覆盖整个 buffer
  • epptr = buffer_begin + buffer_size
    • 即 buffer 起始地址 + buffer 容量
    • 通常大小为 4KB/8KB
  • pptr 和 gptr 怎么移动的呢：
    • 都是从前往后读写
    • 并非脑子里想的“同时+共用”：
      • 输入流：只用 gptr
      • 输出流：只用 pptr
      • 同一个 streambuf 不会同时读写

函数

进缓冲区 ➡ 触发刷新 ➡ “交付”

  • cout：data 存入 buffer，pptr 向前移动，触发才调用 write()
  • cin：read() 拿数据填满 buffer，gptr 向前移动

C / C++ Buffer 同步

空间结构

C++ 的 streambuf 绑定到 C 的 FILE 缓冲

cout.streambuf
    ⬇
stdout.FILE.buffer
  • 机制：共享数据源，但各自维护状态，通过同步机制保持输出顺序一致46；
  • 但每次 I/O 都要“对齐”，所以慢！

函数

  • ios::sync_with_stdio(false)：

    • 和 stdio 的缓冲区解绑，不同步，可节省同步开销；
    • 关闭后禁止混用 printf / cout 6

  • cin.tie()

    • nullptr：解绑，免得输入前都要 cout.flush()，可节省刷新开销；
    • &cout：绑定，适用于需要立即显示输出的情况7。

  • 刷新方式

    cout >> flush;
cout.flush();

cout >> endl; // endl == '\n' + flush

// 开启/关闭 每次输出后自动刷新
std::unitbuf
std::nounitbuf

I/O 开销分类

I/O 总开销
├── ① 同步开销（synchronization）
├── ② 刷新开销（flush）
├── ③ 系统调用开销（syscall）
└── ④ 用户态处理开销（format / locale / 类型）

参考资料（References）

  1. ISO/IEC 9899:2018 — Programming Languages — C ↩↩↩↩

  2. Kernighan, Ritchie — The C Programming Language, 2nd Edition ↩

  3. Stevens — Advanced Programming in the UNIX Environment ↩↩

  4. ISO/IEC 14882:2020 — Programming Languages — C++ ↩↩↩↩

  5. cppreference.com — std::basic_streambuf ↩

  6. cppreference.com — std::ios_base::sync_with_stdio ↩↩

  7. cppreference.com — std::basic_ios::tie ↩