C++算法
C/C++ 输入输出技巧与性能优化
C/C++ 在算法竞赛中的输入输出处理。涵盖 OJ 题目常见输入场景（单组、多组已知/未知、特殊值结束），含空格字符串及数字的特殊处理方式。对比了 scanf/printf 与 cin/cout 在格式控制和性能上的差异，分析了同步机制导致的性能瓶颈，并提供了 ios::sync_with_stdio(false) 等优化方案。旨在帮助开发者掌握高效健壮的 I/O 代码编写技巧。
C/C++ 在算法竞赛中的输入输出处理。涵盖 OJ 题目常见输入场景（单组、多组已知/未知、特殊值结束），含空格字符串及数字的特殊处理方式。对比了 scanf/printf 与 cin/cout 在格式控制和性能上的差异，分析了同步机制导致的性能瓶颈，并提供了 ios::sync_with_stdio(false) 等优化方案。旨在帮助开发者掌握高效健壮的 I/O 代码编写技巧。
在编程的世界中，输入输出（I/O）是与用户或外部系统交互的基础。C 和 C++ 提供了强大的 I/O 机制，从简单的 printf 和 scanf 到 C++ 的流式操作 cin 和 cout，看似简单，实则暗藏玄机。许多开发者在使用过程中可能会遇到缓冲区问题、格式控制陷阱、性能瓶颈，甚至安全性隐患。 本文将对 C/C++ 一些关于在输入输出的问题进行一一打击。
在竞赛的 OJ 题目中，一般关于输入场景总结为下面四类：
由于单独讲解可能体验不是那么深，所以接下来，我们就结合题目，给大家分别介绍。
参考代码：
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int a, b, c;
cin >> a >> b >> c;
cout << (a + b) / c << endl;
return 0;
}
思路： 先输入 n，之后循环产生 1~n 的数字，接着找出与 7 无关的正整数，最后求平方和。 那么如何产生与 7 无关的正整数呢？ 我们不如先找与 7 相关的正整数，然后取反就能得到与 7 无关的正整数。 又由题目知道 n < 100，所以只需在 100 内的数字进行判断。 即与 7 相关的条件有：被 7 整除，%10 == 7（个位），/10 == 7（十位）
参考代码：
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int n;
cin >> n;
int i = 1;
int sum = 0;
while(i <= n) {
if(i % 7 != 0 && i % 10 != 7 && i / 10 != 7) {
sum += (i * i);
}
i++;
}
cout << sum << endl;
return 0;
}
参考代码：
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int n; //表示数据组数
cin >> n;
int a, b; //每行输入的 a,b 值
while(n--) {
cin >> a >> b;
cout << a + b << endl;
}
return 0;
}
斐波那契数列：1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 … 特点：前两个数的和是第三个数
斐波那契有多种做题办法：
参考代码：
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int n, a;
cin >> n;
while(n--) {
cin >> a;
int x = 1;
int y = 1;
int z = 1;
while(a > 2) {
z = x + y;
x = y;
y = z;
a--;
}
cout << z << endl;
}
}
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int n, a, i;
int ret[35] = {0, 1, 1};
for(i = 3; i < 30; i++) {
ret[i] = ret[i - 1] + ret[i - 2];
}
cin >> n;
while(n--) {
cin >> a;
cout << ret[a] << endl;
}
return 0;
}
思路：输入 s，t，qq 次询问 while(q–) { } 处理一组数据 输入 l1，r1，l2，r2 取出子串 s1，t1 比较子串的大小，并输出 字符串的比较 - 支持关系运算的比较
参考代码：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main() {
string s, t;
cin >> s >> t;
int q;
cin >> q;
int l1, r1, l2, r2;
while(q--) // 这种写法是常?的处理 q 次询问的方式
{
cin >> l1 >> r1 >> l2 >> r2;
string s1 = s.substr(l1 - 1, r1 - l1 + 1); // 注意这道题的字符串是从 1 开始计数的
string t1 = t.substr(l2 - 1, r2 - l2 + 1);
if(s1 < t1) {
cout << "yifusuyi" << endl;
} else if(s1 > t1) {
cout << "erfusuer" << endl;
} else {
cout << "ovo" << endl;
}
}
return 0;
}
⭐编程技巧： 题目中说"有 q 次询问"，意思是程序要处理 q 组测试数据，（也就是对应 q 次循环），我们要针对每次询问，给出一个结果。 其实就是之前的单组测试变成了 q 组测试，在之前的代码上套一层 while 循环即可。当有 q 次询问的时候，while(q–) 是非常方便的方式。然后就按照单组输入的方式处理每组输入的数据就好了。
参考代码：
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int a, b;
while(cin >> a >> b) {
cout << a + b << endl;
}
return 0;
}
📌cin >> a; 会返回一个流对象的引用，即 cin 本身。在 C++ 中，流对象 cin 可以被用作布尔值来检查流的状态。如果流的状态良好（即没有发生错误），流对象的布尔值为 true。如果发生错误（如遇到输入结束符或类型不匹配），布尔值为 false。在 while (cin >> a >> b) 语句中，循环的条件部分检查 cin 流的状态。如果流成功读取到 2 个值，cin >> a >> b 返回的流对象 cin 将被转换为 true，循环将继续。如果读取失败（例如遇到输入结束符或无法读取到 2 个值），cin >> a >> b 返回的流对象 cin 将被转换为 false，循环将停止。
参考代码：
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int n;
while(cin >> n) {
for(int i = 1; i <= n; i++) {
for(int j = 1; j <= i; j++) {
cout << j << " ";
}
cout << endl;
}
}
}
思路：先输入 n，指明要存储多少个数 2.再输入 m，并和输入的数组中的数据进行比较查找 3.只要查找的一出现就输出并跳出循环，如果没有就输出 No
参考代码：
#include <iostream>
using namespace std;
const int N = 25;
int arr[N];
int main() {
int n, m;
while(cin >> n) {
for(int i = 0; i < n; i++) {
cin >> arr[i];
}
cin >> m;
int i = 0;
for(i = 0; i < n; i++) {
if(m == arr[i]) {
cout << i << endl;
break;
}
}
if(i == n) {
cout << "No" << endl;
}
}
return 0;
}
参考代码：
//代码 1
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int ch = 0;
int Letters = 0;
int Digits = 0;
int Others = 0;
while((ch = getchar()) != '?') {
if((ch >= 'a' && ch <= 'z') || (ch >= 'A' && ch <= 'Z')) {
Letters++;
} else if(ch >= '0' && ch <= '9') {
Digits++;
} else {
Others++;
}
}
cout << "Letters=" << Letters << endl;
cout << "Digits=" << Digits << endl;
cout << "Others=" << Others << endl;
return 0;
}
//代码 2
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
string s;
int Letters = 0;
int Digits = 0;
int Others = 0;
getline(cin, s);
s.pop_back(); //去掉?
for(auto ch : s) {
if((ch >= 'a' && ch <= 'z') || (ch >= 'A' && ch <= 'Z')) Letters++;
else if(ch >= '0' && ch <= '9') Digits++;
else Others++;
}
cout << "Letters=" << Letters << endl;
cout << "Digits=" << Digits << endl;
cout << "Others=" << Others << endl;
return 0;
}
这里判断大小写字母和数字可以用一种简单的方法来判断，运用函数：
if(islower(ch) || isupper(ch)) Letters++;
else if(isdigit(ch)) Digits++;
else Others++;
当然判断字母还能再简化一下
if(isalpha(ch)) Letters++;
else if(ch >= '0' && ch <= '9') Digits++;
else Others++;
参考代码：
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
int a = 0, b = 0;
while(cin >> a >> b, a && b) {
cout << a + b << endl;
}
return 0;
}
这里的逗号表达式简单介绍一下：从左往右依次计算整个表达式的结果是最后一个表达式的结果
OK 了，有关OJ（online judge）题目输入情况的所有情况都讲完了，希望各位友友们在做题中能够有着清晰的判断。
根据我们现在掌握的知识，含空格的字符串，如要读取有 fgets、scanf、getchar、getline 四种方式解决，但是有时候，根据题目的情况，不一定非要完整的读取这个带空格的字符串，而是将字符串中空格隔开的每一个字符串，当做一个单词处理更方便，也避免了读取带空格字符串的各种问题。
练习：统计数字字符个数
这里我们有两种做法：
整个字符串一次性读取，然后处理字符串，使用 getline 使用逐个单词的方式处理 cin
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main() {
string s;
getline(cin, s);
int ret = 0;
for(auto ch : s) {
if(ch >= '0' && ch <= '9') {
ret++;
}
}
cout << ret << endl;
return 0;
}
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main() {
string s;
int cnt = 0;
while(cin >> s) {
for(auto c : s) {
if(c >= '0' && c <= '9') cnt++;
}
}
cout << cnt << endl;
return 0;
}
同时由上面的部分介绍，我们可以把
if(ch >= '0' && ch <= '9')
修改为
if(isdigit(ch))
当我们程序运行的时候，在控制台输入 123 的时候，这时的 123 是三个字符，123 是一个字符序列，程序会根据代码中的数据类型，可能将 123 解析成整型，也可能将 123 解析成字符串。
比如：
int num = 0;
cin >> num; //输入 123, 就被解析成整数
string s;
cin >> s; //输入 123, 就被解析成字符串
这里的解析的方式，主要是依赖编译器对变量类型的识别，根据类型再将读取字符串数据转化成对应类型的数据。
我们在写代码的时候，应该根据实际的情况，来决定如何处理输入的内容。
练习：小乐乐改数字
输入一个整数 n 获取 n 的每一位 % 10，判断是奇数（1）还是偶数（2） / 10，求后面的数字 3.输出转换后的整数
#include <iostream>
#include <cmath>
using namespace std;
int main() {
int n;
int i = 0, ret = 0;
cin >> n;
while(n) {
if(n % 10 % 2 == 1) {
ret += pow(10, i);
}
n /= 10;
i++;
}
cout << ret << endl;
return 0;
}
由于读取的是字符，所以 1，2，3 不能当作字符来判断，而是用 ASCII 判断 又'0' = 48，'1' = 49，'2' = 50，'3' = 51 … 发现 ASCII 为偶数时对应的正好为偶数，奇数时正好为奇数，故可以 %2 判断。
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main() {
string s;
cin >> s;
for(int i = 0; i < s.size(); i++) // 数字字符与对应的数的奇偶一致
{
if(s[i] % 2) {
s[i] = '1';
} else {
s[i] = '0';
}
}
cout << stoi(s) << endl; // 转换成数字输出
return 0;
}
这里说一下代码的一些函数 pow(a, b) 求 a 的 b 次方 stoi 是 C++11 标准引入的字符串转换函数，用于将字符串转换为整数
scanf 和 printf 是 C 语言中的标准输入输出函数，而 cin 和 cout 是 C++ 语言中的标准输入输出流对象。它们各自有优缺点，整体上来说 cin 和 cout 会更加方便，但有时候我们也不得不使用 scanf 和 printf。
#include <cstdio>
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
float a = 3.50;
double d = 16.50;
cout << "cout: " << a << " " << d << endl;
printf("printf: %f %lf\n", a, d);
return 0;
}
输入结果如下：
**区别：**cout 默认不会输出六位小数，自动忽略小数点后多余的 0，printf 函数打印浮点 数的时候，小数点默认打印 6 位。cout 在输出的时候不需要指定格式，printf 则需要明确的格式。
结论： scanf 和 printf 通常比 cin 和 cout 快。 原因： cin 和 cout 由于要考虑兼容 C 语言的输入和输出，封装实现的更加复杂，通常比 scanf 和 printf 稍慢，但这种差异在大多数应用场景中可以忽略不计。但是在竞赛的题目中，尤其是当输入、输出数据量较大时，使用 cin 和 cout 完成输入输出，经常会出现 Time Limit Exceeded 的情况。而 scanf 和 printf 就不存在类似的问题。下面给大家准备了两个案例。
案例一：数字游戏
代码展示：
#include <iostream>
using namespace std;
int t, x;
int main() {
cin >> t;
while(t--) {
cin >> x;
int ret = 0;
while(x) {
int count = 0, high = 0;
int tmp = x;
while(tmp) {//计算最右边的 1 代表的值
int low = tmp & -tmp;//如果 low 中剩余的 1 就是最后一个 1
//就是最左边的 1
if(tmp == low) {
high = low;
}
//去掉最右边的 1
tmp -= low;
count++;
}
if(count % 2 == 0) {
x -= high;
} else {
x ^= 1;
}
ret++;
}
cout << ret << endl;
}
return 0;
}
运行结果展示：
#include <iostream>
using namespace std;
int t, x;
int main() {
scanf("%d", &t);
while(t--) {
scanf("%d", &x);
int ret = 0;
while(x) {
int count = 0, high = 0;
int tmp = x;
while(tmp) {//计算最右边的 1 代表的值
int low = tmp & -tmp;//如果 low 中剩余的 1 就是最后一个 1
//就是最左边的 1
if(tmp == low) {
high = low;
}
//去掉最右边的 1
tmp -= low;
count++;
}
if(count % 2 == 0) {
x -= high;
} else {
x ^= 1;
}
ret++;
}
printf("%d\n", ret);
}
return 0;
}
运行结果展示：
案例 2：求第 k 小的数
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
using namespace std;
const int N = 5000010;
int arr[N];
int main() {
int n, k;
cin >> n >> k;
for(int i = 0; i < n; i++) {
cin >> arr[i];
}
sort(arr, arr + n);
cout << arr[k] << endl;
return 0;
}
运行结果展示：
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <algorithm>
using namespace std;
const int N = 5000010;
int arr[N];
int main() {
int n, k;
cin >> n >> k;
for(int i = 0; i < n; i++) {
scanf("%d", &arr[i]);
}
sort(arr, arr + n);
cout << arr[k] << endl;
return 0;
}
运行结果展示：
我们可以看到这两个案例中，输入的数据量都比较大，在输入数据的时候如果使用 cin，都会出现超时的问题，但是换成是 scanf 的方式就能正确的通过。这就是因为两者性能上的差异导致的。那为什么 cin/cout 的性能要低于 scanf/printf 呢？有什么办法能优化吗？
后面会单独对这个问题进行讲解。
总结一下其实就是 2 个点：
通过下面这个案例我们看一下 scanf 和 cin 的差异，然后再看看如何优化。
#include <iostream>
#include <ctime>
#include <cstdio>
using namespace std;
const int num = 10000000;
int main() {
int i, x;
//freopen 是将 stdin 重定向到文件
//意思是 scanf 可以文件中读取数据
freopen("data.txt", "r", stdin);
clock_t t1, t2;
t1 = clock();
for(i = 0; i < num; i++) {
scanf("%d", &x);
}
t2 = clock();
cout << "Runtime of scanf: " << t2 - t1 << " ms" << endl;
return 0;
}
运行演示结果：
#include <iostream>
#include <ctime>
#include <cstdio>
using namespace std;
const int num = 10000000;
int main() {
//freopen 是将 stdin 重定向到文件
//意思是 cin 可以文件中读取数据
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;
return 0;
}
运行演示结果：
如果对 cin 进行优化呢？
#include <iostream>
#include <ctime>
#include <cstdio>
using namespace std;
const int num = 10000000;
int main() {
ios::sync_with_stdio(false); //取消给 C 语言输入输出缓冲区的同步
cin.tie(0); //取消了 cin 和 cout 的绑定
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;
return 0;
}
运行演示结果：
所以未来我们在使用 scanf / printf 和 cin / cout 抉择的时候，如果要追求性能那就使用 scanf / printf，或者优化版的 cin / cout，如果不追求性能，直接使用 cin / cout 就行。
如果输入的数据量比较小（10^6 以内）的话，用 cin 和 cout 或 scanf 和 printf 都行；但是输入的数据量比较大（10^9 左右）的话，更推荐使用 scanf 和 printf，避免因为输入输出的开销，导致代码超时；在大多数场景下 printf / scanf 和 cin / cout 的使用根据个人习惯进行选择 即可。
这里我们讨论了 scanf/printf 和 cin/cout 性能的差异，我们知道 scanf/printf 是更快 的，其实有一些极端情况下，输入输出的规模非常大的时候，scanf 和 printf 也不能满足的时候，会使用快速读写的方式，这个后期会讲。
掌握输入输出的底层机制和陷阱，才能写出健壮高效的代码。从缓冲策略到格式控制，每个细节都可能成为调试时的关键。
希望这篇文章能给各位朋友对 C/C++ 的输入输出有着不一样的理解。
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