快读快写学习笔记

0x01 前置准备

所有代码依赖以下头文件，建议统一包含：

• <cstdio>：提供 getchar()、putchar()、fread()、fwrite()；
• <iostream>：提供 cin、cout；
• <cctype>：提供 isspace()；

0x02 基础 I/O 优化：基于 cin 和 cout

优化步骤

1. 关闭流同步：

• 实现：通过 ios::sync_with_stdio(false) 关闭 C++ 和 C 输入输出流的同步；
• 解释：为了确保混用 C++ 的 cin / cout 和 C 的 printf / scanf 不会产生 I/O 混乱，C++ 和 C 的两种流之间进行了同步。这提高了兼容性，但是产生了大常数。关闭流同步之后就不要同时使用 cin 和 scanf，也不要同时使用 cout 和 printf，否则会造成 I/O 混乱。但可以同时使用 cin 和 printf，也可以同时使用 scanf 和 cout；

2. 解除绑定：

• 实现：通过 cin.tie(nullptr) 解除 cin 与 cout 的绑定；
• 解释：在 C++ 中，cin 默认绑定的是 &cout，这意味着每次读入都会调用 flush()。可以用 cin.tie(nullptr) 函数解除这种绑定；

3. 针对 endl 的优化：

• 实现：用 '\n' 替换 endl；
• 解释：endl 的作用是换行并刷新缓冲区，相当于 cout<<'\n'<<flush。而刷新缓冲区会带来一定开销；

其中前两步一般合称「关流」。后文会沿用这个称呼。

代码实现

以下两种写法是等价的：

// 写法1：链式调用
cin.tie(0)->sync_with_stdio(0);

// 写法2：分步调用
ios::sync_with_stdio(0);
cin.tie(0);

可以这样将所有 endl 替换为 '\n'：

// 注意：该宏需在包含<iostream>之后定义，避免与std::endl声明冲突
#define endl '\n'

0x03 进阶优化：快读

普通快读：基于 getchar()

通过 getchar() 函数逐字符读取，手动解析整数或字符串。

void read(int &x){  // 读整数（支持负数）
	int c,f=1;
	while((c=getchar())<'0'||c>'9') if(c=='-') f=-1;
	for(x=c^48;(c=getchar())>='0'&&c<='9';x=(x<<3)+(x<<1)+(c^48));
    x*=f;
}
void read(char &c){  // 读一个非空字符
	while(isspace(c=getchar()));
}
int read(char s[]){  // 读一个字符串，到空格/EOF为止，返回长度
	int len=0;
    char c;
	while(isspace(c=getchar()));
    do s[len++]=c;
    while(!isspace(c=getchar())&&c!=EOF);
    s[len]='\0';  // 补字符串结束符
    return len;
}
int getline(char s[]){  // 读一行字符串，返回长度
    int len=0;
    char c;
    while((c=getchar())!='\n'&&c!=EOF) s[len++]=c;
    s[len]='\0';  // 补字符串结束符
    return len;
}

缓冲区快读：基于 fread()

getchar() 每次从系统读取 1 个字符，频繁调用系统接口，开销大。fread() 一次性读取一整块数据到自定义缓冲区，后续从缓冲区取字符。这样可以减少系统调用次数，速度通常可以提升 5~10 倍。

缓冲区一般大小设为 1MB 左右，即 \(2^{20}\) 字节，这样既不会占太大空间，不会刷新太多次缓冲区。

由于 fread 可以一次整块读入，因此速度比 getchar 快多了。

char in[1<<20],*p1,*p2;
inline char gc(){  // 从缓冲区读1个字符，空则补充
	return p1==p2&&(p2=(p1=in)+fread(in,1,1<<20,stdin))==in?EOF:*p1++;
}

加上这段代码，然后用 gc() 替换掉所有 getchar() 就可以了。

0x04 进阶优化：快写

普通快写：基于 putchar()

通过 putchar() 函数逐字符输出。

void write(int x){  // 写整数（支持负数）
	if(x<0) putchar('-'),x=-x;
	x<10?putchar(x|48):(write(x/10),putchar(x%10|48));
}
void write(char s[],int len){  // 写字符串，指定长度
	for(int i=0;i<len;++i) putchar(s[i]);
}
void write(char s[]){  // 写字符串，直到'\0'为止
	for(int i=0;s[i];++i) putchar(s[i]);
}

缓冲区快写：基于 fwrite()

和缓冲区快读差不多，自定义一个缓冲区，每次写一个字符到缓冲区，满了就刷新缓冲区，通过 fwrite() 一次性将整个缓冲区里的内容输出。

加上如下代码，再用 pc() 替换掉所有 putchar() 就可以了。

char out[1<<20],*p3=out;
inline void pc(char c){  // 向缓冲区写1个字符，满则刷新
	if(p3-out==1<<20) fwrite(out,1,1<<20,stdout),p3=out;
	*p3++=c;
}

但是程序结束时，缓冲区里可能还有东西，因此我们必须在结束前清空缓冲区。这一步千万不要忘！

fwrite(out,1,p3-out,stdout);

0x05 工程化实现：I/O 类封装

封装的核心目的

• 自动管理缓冲区：析构函数自动调用 fwrite() 刷新输出缓冲区，避免忘记刷新；
• 统一接口：将快读和快写整合到同一个类中，使用时直接调用 io.函数名(参数) 即可，无需再关注底层实现，适合作为缺省源使用；

代码实现

class IO{
    #define SIZE 1<<20
    private:
        char in[SIZE],out[SIZE],*p1,*p2,*p3;
    public:
        IO():p1(in),p2(in),p3(out){}
        ~IO(){fwrite(out,1,p3-out,stdout);}
        inline char gc(){  // 从缓冲区读1个字符，空则补充
            return p1==p2&&(p2=(p1=in)+fread(in,1,SIZE,stdin))==in?EOF:*p1++;
        }
        inline void pc(char c){  // 向缓冲区写1个字符，满则刷新
            if(p3-out==SIZE) fwrite(out,1,SIZE,stdout),p3=out;
            *p3++=c;
        }
        void read(int &x){  // 读整数（支持负数）
            int c,f=1;
            while((c=gc())<'0'||c>'9') if(c=='-') f=-1;
            for(x=c^48;(c=gc())>='0'&&c<='9';x=(x<<3)+(x<<1)+(c^48));
            x*=f;
        }
        void read(char &c){  // 读一个非空字符
            while(isspace(c=gc()));
        }
        int read(char s[]){  // 读一个字符串，到空格/EOF为止，返回长度
            int len=0;
            char c;
            while(isspace(c=gc()));
            do s[len++]=c;
            while(!isspace(c=gc())&&c!=EOF);
            s[len]='\0';  // 补字符串结束符
            return len;
        }
        int getline(char s[]){  // 读一行字符串，返回长度
            int len=0;
            char c;
            while((c=gc())!='\n'&&c!=EOF) s[len++]=c;
            s[len]='\0';  // 补字符串结束符
            return len;
        }
        void write(int x){  // 写整数（支持负数）
            if(x<0) pc('-'),x=-x;
            x<10?pc(x|48):(write(x/10),pc(x%10|48));
        }
        void write(char s[],int len){  // 写字符串，指定长度
            for(int i=0;i<len;++i) pc(s[i]);
        }
        void write(char s[]){  // 写字符串，直到'\0'为止
            for(int i=0;s[i];++i) pc(s[i]);
        }
    #undef SIZE
}io;  // 全局实例化，无需重复创建对象

0x06 关键避坑指南

1. 混用不同 I/O 方式：
   • 关流后不能混用 cin 和 scanf，也不能混用 cout 和 printf；
   • 缓冲区快读与 getchar() 不可混用，缓冲区快写和 putchar() 也不能混用；
2. 缓冲区快写忘记刷新：非封装版本需在程序结束前调用 fwrite(out,1,p3-out,stdout)，否则缓冲区剩余数据不会输出；
3. 整数快读快写处理边界值：处理 INT_MIN 即 \(-2147483648\) 时会溢出，若需支持要开 long long；

0x07 性能对比与选型建议

I/O 方式	速度排序	优点	缺点	适用场景
缓冲区快读快写	1	速度极致，适合大数据	代码长，需封装，不支持复杂类型（如浮点数）	输入超大，高频 I/O 的题目
普通快读快写	2	代码短，速度快	不支持复杂类型（如浮点数）	输入较大，需要卡常的题目
关流 cin / cout	3	代码超短	兼容性差	一般题目
scanf / printf	4	适合输出格式串	格式控制符复杂，速度较慢	一般题目
不关流 cin / cout	5	兼容性好	速度极慢	极小数据量的题目，调试输出

注：若需支持浮点数（如 double），需扩展快读快写函数，手动解析小数点前后数字。因浮点数 I/O 场景较少，通常含有浮点数的题目数据量也不会太大，本文暂不展开，可根据需求自行扩展。