关于读入优化的最终分析
摘要
身为一只以卡常为生的蒟蒻，总想着通过一些奇技淫巧来掩饰优化常数。
于是本文章就非正式地从最初的开始到最终的终止来谈谈在OI种各种主流、非主流读入的速度以及利弊。
序言
随着算法的发展各种数据结构等劲题出现，这些题除了思维难度的提高还带来者输入数据的增多(特别的有：uoj.ac上的一道题需要选手自己生成数据，而数论题往往输入较少)，对于有追求有理想的选手快速读入是必不可少的技能。
尽管市面上有不同的主流读入优化，但是大多都是基于fread的，其余的只是一些小变动。
而笔者就在不久之前发现更快但是非主流的mmap(在sys/mman.h中)函数，此函数比目前已知所有读入都快。
现在，我们从入门的cin_with_sync(true)然后到进阶的cin_with_sync(false)，再到标准的scanf然后到getchar，再到fread(old)，再是fread(new)，最后是mmap的原理及分析。
标准
本次测试在以下环境进行：
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硬件：
a) VM WorkingStation Pro 14虚拟机
b) 基于Ubuntu 14.04 LTS 32位 的NOI Linux 1.4.1
c) 内存1003.1MiB，硬盘19.9GB，CPU Intel? Core? i7-6498DU CPU @ 2.50GHz，GPU Gallium 0.4 on SVGA3D; build: RELEASE;
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软件： a) 编译器G++ posix gcc version 4.8.4 (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04)
b) 测评器：Project Lemon v1.2 测试版
c) 编译命令：g++ -o %s %s.*(不加入-std=c++11的原因是因为c++11标准会忽略部分例如register的语句，同时NOI的编译命令也没有此条)
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文件： a) 输入文件：两组，大小分别为127585438 Byte 和 127582201 Byte，前半部分为11111111个不超过INT_MAX(在climits内)的非负整数，用空格分隔，中间一个换行符，紧接着一行由11111111个id>=48的字符组成。
b) 输出文件：为了避免代码的部分被过分优化，最后程序将根据输入计算一个值，然后输出这个值。详见代码。
代码
以下代码尽量按照最快的方式尽量写成函数：
1 //cin_with_sync(true) 2 #include <cstdio> 3 #include <iostream> 4 5 using namespace std; 6 7 #define MAXN 11111111 8 9 inline int test(){ 10 int recieve_int, ret = 0; 11 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 12 cin >> recieve_int; 13 ret += recieve_int; 14 } 15 char recieve_char; 16 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 17 cin >> recieve_char; 18 ret -= recieve_char; 19 } 20 return ret + 1; 21 } 22 23 24 int main(){ 25 freopen("fr.in", "r", stdin); 26 printf("%d", test()); 27 fclose(stdin); 28 return 0; 29 } 30 //cin_with_sync(false) 31 #include <cstdio> 32 #include <iostream> 33 34 using namespace std; 35 36 #define MAXN 11111111 37 38 inline int test(){ 39 ios::sync_with_stdio(false); 40 cin.tie(0); 41 int recieve_int, ret = 0; 42 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 43 cin >> recieve_int; 44 ret += recieve_int; 45 } 46 char recieve_char; 47 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 48 cin >> recieve_char; 49 ret -= recieve_char; 50 } 51 return ret + 1; 52 } 53 54 55 int main(){ 56 freopen("fr.in", "r", stdin); 57 printf("%d", test()); 58 fclose(stdin); 59 return 0; 60 } 61 //scanf 62 #include <cstdio> 63 64 using namespace std; 65 66 #define MAXN 11111111 67 68 inline int test(){ 69 int recieve_int, ret = 0; 70 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 71 scanf("%d", &recieve_int); 72 ret += recieve_int; 73 } 74 char recieve_char; 75 scanf("%c", &recieve_char), scanf("%c", &recieve_char); 76 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 77 scanf("%c", &recieve_char); 78 ret -= recieve_char; 79 } 80 return ret + 1; 81 } 82 83 84 int main(){ 85 freopen("fr.in", "r", stdin); 86 printf("%d", test()); 87 fclose(stdin); 88 return 0; 89 } 90 //getchar 91 #include <cstdio> 92 93 using namespace std; 94 95 #define MAXN 11111111 96 97 inline int read(){ 98 int num = 0; 99 char c; 100 while((c = getchar()) < 48); 101 while(num = num * 10 + c - 48, (c = getchar()) >= 48); 102 return num; 103 } 104 105 inline int test(){ 106 int recieve_int, ret = 0; 107 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 108 recieve_int = read(); 109 ret += recieve_int; 110 } 111 char recieve_char; 112 while((recieve_char = getchar()) < 60); 113 ret -= recieve_char; 114 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 115 recieve_char = getchar(); 116 ret -= recieve_char; 117 } 118 return ret; 119 } 120 121 122 int main(){ 123 freopen("fr.in", "r", stdin); 124 printf("%d", test()); 125 fclose(stdin); 126 return 0; 127 } 128 //fread(old) 129 #include <cstdio> 130 131 using namespace std; 132 133 #define MAXN 11111111 134 135 #define Finline __inline__ __attribute__ ((always_inline)) 136 137 Finline char get_char(){ 138 static char buf[200000001], *p1 = buf, *p2 = buf; 139 return p1 == p2 && (p2 = (p1 = buf) + fread(buf, 1, 200000000, stdin), p1 == p2) ? EOF : *p1 ++; 140 } 141 inline int read(){ 142 int num = 0; 143 char c; 144 while((c = get_char()) < 48); 145 while(num = num * 10 + c - 48, (c = get_char()) >= 48); 146 return num; 147 } 148 149 inline int test(){ 150 int recieve_int, ret = 0; 151 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 152 recieve_int = read(); 153 ret += recieve_int; 154 } 155 char recieve_char; 156 while((recieve_char = get_char()) < 60); 157 ret -= recieve_char; 158 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 159 recieve_char = get_char(); 160 ret -= recieve_char; 161 } 162 return ret; 163 } 164 165 166 int main(){ 167 freopen("fr.in", "r", stdin); 168 printf("%d", test()); 169 fclose(stdin); 170 return 0; 171 } 172 //fread(new) 173 #include <cstdio> 174 175 using namespace std; 176 177 #define MAXN 11111111 178 179 #define Finline __inline__ __attribute__ ((always_inline)) 180 181 Finline char get_char(){ 182 static char buf[200000001], *p1 = buf, *p2 = buf + fread(buf, 1, 200000000, stdin); 183 return p1 == p2 ? EOF : *p1 ++; 184 } 185 inline int read(){ 186 int num = 0; 187 char c; 188 while((c = get_char()) < 48); 189 while(num = num * 10 + c - 48, (c = get_char()) >= 48); 190 return num; 191 } 192 193 inline int test(){ 194 int recieve_int, ret = 0; 195 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 196 recieve_int = read(); 197 ret += recieve_int; 198 } 199 char recieve_char; 200 while((recieve_char = get_char()) < 60); 201 ret -= recieve_char; 202 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 203 recieve_char = get_char(); 204 ret -= recieve_char; 205 } 206 return ret; 207 } 208 209 210 int main(){ 211 freopen("fr.in", "r", stdin); 212 printf("%d", test()); 213 fclose(stdin); 214 return 0; 215 } 216 //mmap 217 #include <cstdio> 218 #include <fcntl.h> 219 #include <unistd.h> 220 #include <sys/mman.h> 221 222 using namespace std; 223 224 #define MAXN 11111111 225 226 #define Finline __inline__ __attribute__ ((always_inline)) 227 228 char *pc; 229 230 inline int read(){ 231 int num = 0; 232 char c; 233 while ((c = *pc++) < 48); 234 while (num = num * 10 + c - 48, (c = *pc++) >= 48); 235 return num; 236 } 237 238 inline int test(){ 239 pc = (char *) mmap(NULL, lseek(0, 0, SEEK_END), PROT_READ, MAP_PRIVATE, 0, 0); 240 int recieve_int, ret = 0; 241 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 242 recieve_int = read(); 243 ret += recieve_int; 244 } 245 char recieve_char; 246 while((recieve_char = *pc++) < 60); 247 ret -= recieve_char; 248 for(int i = 0; i < MAXN; i++){ 249 recieve_char = *pc++; 250 ret -= recieve_char; 251 } 252 return ret + 1; 253 } 254 255 256 int main(){ 257 freopen("fr.in", "r", stdin); 258 printf("%d", test()); 259 fclose(stdin); 260 return 0; 261 } 262 //数据生成器 263 #include <ctime> 264 #include <cstdio> 265 #include <climits> 266 #include <algorithm> 267 268 #define MAXN 11111111 269 270 int main(){ 271 freopen("fr.in", "w", stdout); 272 srand(time(NULL)); 273 for(int i = 0; i < MAXN; i++) printf("%d ", rand() % INT_MAX); 274 puts(""); 275 for(int i = 0; i < MAXN; i++) putchar(rand() % 48 + 79); 276 fclose(stdout); 277 return 0; 278 }
结果
我们在测评机下做了多次试验，调整了代码的部分细节，取最后一次测试成绩如下：
分析
cin_with_sync(true)固然慢，其原因是因为为了其保持和scanf等函数的输出保持同步，所以一直会刷新流，所以固然慢。然而由于cin“比较智能”，所以用它也有理由，而且使用cout输出long long会比printf快不少。
所以cin_with_sync(false)会快不少的原因同上。
然而我们惊奇地发现scanf“竟然”比cin_with_sync(false)慢！？其实在实际测试过程中，两者的速度不相上下，都是差不多的。
getchar是笔者第一个学的快读，然后其实在实际使用中这种快读比scanf的优势更为明显，特别是在分散读入的时候。然而现在两者跑出了仅差0.2s的成绩，其实也不用惊讶，因为在以前的scanf的实现主要在loc_incl.h内的_doscan函数内，观察这个函数发现它就是你的快读的整合版。
fread(old)利用fread函数把所有输入一次性输入到程序内的缓存数组然后用getchar式快读调用。好处就是文件操作少，因而速度快。
fread(new)和fread(old)的唯一区别就是fread(new)只读了一次文件，而fread(old)允许读多次。fread(old)实际上是为了防止数据分几次输入，然而因而函数较长，不太有可能被inline优化。而fread(new)则可以避免这些。同时在实际使用中，fread(new)也具有更快的速度。
mmap基于Linux的黑科技，直接将文件映射到内存操作，中间不需要阻塞系统调用，不需要内核缓存，只需要一次lseek，因而有更优的速度，是极限卡常者不二选择。在fread(new)已经非常快的情况下再甩36m，而且实际使用的时候速度更快。
总结
对于初学者来说，cin和scanf足矣。
可以发现getchar是所有方法中空间最小的，因为它的实现不需要scanf那样把所有情况枚举出来，也不需要额外数组，适用于日常生活。
而fread是在各个平台下都可以使用的一个比较快速的读入方式，同时在gdb中，fread需要使用EOF，而这就可以方便文本终端中一次性把数据输入gdb。同时你可以用缓存数组进行一些更高级的操作。
mmap只能在Linux下使用，而且不接受键盘读入 ，建议在确保程序无误后使用。
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更为舒服地看这篇文章：https://www.luogu.org/blog/CreeperLKF/FastRead
