C++性能真的不如C嗎？
最近在知乎上看了篇帖子，題目是為什么C++沒有C語言快，如下圖：
恰好之前研究過這塊，所以借助本文，分析下這個問題（無意于語言之爭，單純是從技術角度??）。
眾所周知，C++兼容了C的所有功能，顯然從所有角度去對比分析是不現實的，所以本文從我們常用的輸入輸出即標準流（iostream和stdio）的角度來分析講解。
示例
為了更加直觀地來對比分析，寫了個示例，通過scanf和cin讀文件，然后分析兩種方式的性能高低，代碼如下：
const int num=1000000;
void time_report(const std::function<void()> &f1, const std::function<void()> &f2) {
auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
f1();
auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
std::cout << "cin cost " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start).count() << "ms" << std::endl;
start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
f2();
end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
std::cout << "scanf cost " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start).count() << "ms" << std::endl;
}
void write() {
std::ofstream file("./data");
for(int i = 0; i < num; ++i) {
file << rand() <<' ';
if((i + 1) % 20 == 0) {
file << std::endl;
}
}
}
int main() {
write();
time_report([](){
freopen("./data","r",stdin);
int n = 0;
for(int i=0; i<num; i++) {
std::cin >> n;
}
}, [](){
freopen("./data","r",stdin);
int n = 0;
for(int i = 0; i < num; ++i) {
scanf("%d", &n);
}
});
return 0;
}
編譯，運行之后，輸出如下：
cin cost 686ms
scanf cost 189ms
從上述輸出來看，cin的耗時是scanf的3倍多，果真如此么？
sync_with_stdio
C++性能真的差C這么多嗎？直接顛覆了對C++的認知，即使性能真的低，也得知道為什么低吧，于是開始研究，發現C++為了兼容C，在C標準流(stdio)和C++標準流(iostrem)保持同步，這樣就可以混合使用C和C++風格的I/O，且能保證得到合理和預期的結果，而正是這個同步導致C++在cin性能上有損失。如果禁用同步，則允許C++流擁有自己的獨立緩沖區，這樣性能就會提升很多。
那么是否可以禁用該同步功能呢？
C++提供了一個函數std::ios::sync_with_stdio，聲明如下：
static bool sync_with_stdio(bool __sync = true);
如果參數為false，則代表禁用此同步。從上面聲明可以看出，默認情況下 __sync = true也就是說禁用同步，而如果__sync為false的話，則會有如下操作：
bool
ios_base::sync_with_stdio(bool __sync) {
bool __ret = ios_base::Init::_S_synced_with_stdio;
if (!__sync && __ret) {
// ...
cout.rdbuf(&buf_cout);
cin.rdbuf(&buf_cin);
cerr.rdbuf(&buf_cerr);
clog.rdbuf(&buf_cerr);
// ...
}
return __ret;
}
從上述代碼，進一步驗證了我們上面的說法，如果禁用了同步功能，則C++流使用自己的緩沖區buf_cin(此處以cin為例)，幾種buffer的定義如下：
typedef char fake_filebuf[sizeof(stdio_filebuf<char>)]
__attribute__ ((aligned(__alignof__(stdio_filebuf<char>))));
fake_filebuf buf_cout;
fake_filebuf buf_cin;
fake_filebuf buf_cerr;
好了，截止到現在，我們已經搞清楚了為什么C++流性能要慢于C，為了驗證是否真的是因為使用了同步功能而導致的性能差異，使用std::ios::sync_with_stdio(false)關閉同步，代碼示例如下：
const int num=1000000;
void time_report(const std::function<void()> &f1, const std::function<void()> &f2) {
auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
f1();
auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
std::cout << "cin cost " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start).count() << "ms" << std::endl;
start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
f2();
end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
std::cout << "scanf cost " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start).count() << "ms" << std::endl;
}
void write() {
std::ofstream file("./data");
for(int i = 0; i < num; ++i) {
file << rand() <<' ';
if((i + 1) % 20 == 0) {
file << std::endl;
}
}
}
int main() {
std::ios::sync_with_stdio(false);
write();
time_report([](){
freopen("./data","r",stdin);
int n = 0;
for(int i=0; i<num; i++) {
std::cin >> n;
}
}, [](){
freopen("./data","r",stdin);
int n = 0;
for(int i = 0; i < num; ++i) {
scanf("%d", &n);
}
});
return 0;
}
編譯，運行后，輸出如下：
cin cost 178ms
scanf cost 189ms
可以看出禁用同步后，二者的性能基本一致。
既然禁用同步后，C++流的性能與C基本一致，那么是否直接禁用呢？答案是依賴于具體的使用場景。
1、同步的C++流是線程安全的，也就說來自不同線程的輸出可能會交錯，但數據不會產生競爭，而如果禁用同步，則可能出現意想不到的結果。
2、如果禁用了同步功能，輸入輸出順序可能會得不到我們想要的結果。
int main() {
std::cout << "a ";
printf("b ");
std::cout << "c ";
return 0;
}
上述代碼執行后，輸出a b c ，符合我們的預期。
如果加上禁用同步代碼，如下：
int main() {
std::ios_base::sync_with_stdio(false);
std::cout << "a ";
printf("b ");
std::cout << "c ";
return 0;
}
編譯、運行之后，結果為a c b，與我們期望的不一致。
結語
如果使用C編程，那么使用C stdio，而如果使用C++編程，則建議使用C++ I/O。如果在某些特殊場景下，需要混合使用，那么強烈建議不要禁用同步，否則會得到意想不到的結果。
