为什么C++和C的标准输入输出不同步时，数据会混乱？同步会带来多大性能损失？为什么说这个损失通常不用太在乎？

0. 课堂视频

1. 理解cin和cout的类型与创建过程

std::cout 是std::ostream类型的一个变量；而 std::ostream是std::basic_ostream<char>模板类的类型别名（ typedef ）。std::cin是std::isteram类型的一个变量，而std::istream是std::back_istream<cahr>模板类的类型别名。两个模板类中的 “char” 参数，表明二者都是基于普通 字符（char）作为最小输出或输入单位。如果改为 wchar_t，则以UNICODE字符串作为基本输入输出单位。

正如上一节课所说，std::ostream和std::istream都是抽象概念的流，无法直接创建对应的输出或输入流对象。

注意，C++中的“抽象”概念，和 Java 这样更加纯粹的“面向对象”的编程语言有所不同。Java 中的“抽象”，通常使用：“什么实事都不做，只负责定要求” 的接口（interface）表达。C++中有更多不同的方式来表达抽象概念，可以同样“什么事都不做，只负责定要求”的纯虚类，也可以是“做了很多基础的事，但禁用了特定构建方法”的方式。两种方式的共同表现是：不让用户直接创建对象。

std::ostream和std::istream对外开放的构造方法，都要求一个“流缓存区/stream_buf”入参。以输出为例，我们可以：

• 设计并实现一个内存输出缓存区，传入后以得到一个内存输出流的基本功能；
• 设计并实现一个文件输出缓存区，传入后以得到一个文件输出流的基本功能；
• 设计并实现一个网络输出缓存区，传入后以得到一个网络输出流的基本功能；

那么，为std::istream的构造函数传入一个键盘输入流缓存区，就能得到一个标准输入流，即std::cin；而为std::ostream传入一个屏幕输出流缓存区，就能得到一个标准输出流，即std::cout。但实际上，C++程序中的std::cin和std::cout对象，都是C++库自动创建出来的，并且不允许用户手工创建二者。为什么呢？因为对一个程序来说，标准输入设施应该只有一个，标准输出设施也应该只有一个；如果用户自己创建，就挡不住有用户创建出一打标准输入流或标准输出流了。

在Windows的控制台（console）或Linux下的终端（terminal）里，键盘被称为程序的标准输入设备，屏幕被称为程序的标准输出。并且，无论一台电脑接多少个键盘（少见），在逻辑上都会被当作一个键盘；同理，无论一台电脑接多少个屏幕（常见），在逻辑上也都会被当作一个屏幕。因此，cin 和 cout 本质上是一种“单例”，即整个程序中，只能一个标准输入流，一个标准输出流。

这种“一个程序里，某种类型的对象只有一个”的逻辑的实现，有专门的，称为“单例模式”的设计模式来实现。C++实现 cin 和 cout 的单例保障倒很简单：使用默认构造函数（没有任何入参）来创建特定对象，再把该默认构造函数的访问权限设置为私有（private）或保护的（protected），在gc++的实现中使用的是后者。标准库内部可以通过 “友元”加“派生”的方式，实现对基类受保护的默认构造函数的调用。

一旦调用std::ostream的默认构造函数，由于没有入参，也就没有外部传入的输出缓存区，此时标准库将自动创建标准输出流的缓存区，从而创建出标准输出流，即：std::cout对象。标准输入流的创建过程与此类型，同样是调用默认构造函数，然后自行创建、关联和键盘输入缓存区，从而创建出 std::cin。

以上调用过程都是在程序主函数 main() 开始之前，就执行完毕，因此我们的程序在一开始就能够方便地使用std::cin和std::cout。事实上，在 main() 之前我们就可以使用了。如果在 main() 函数之前就开始执特定代码，这是C++的另一个知识点，不在此讲解。

2. 数据输入输出次序冲突问题的出现

到现在，一切看起来很完美：cin和cout是自动创建的，并且各自只会有一份，不会冲突……但是，考虑到C++的一个重要的历史使命：兼容C语言，问题就来了——

C 语言有自己的输入输出机制，并且本质上，底层也需要用到输入或输出缓存区。上一节课我们说过，这个缓存区本质是一个数据队列，一个“有次序保障”的数据队列。C++尽管做到了一个程序只有一个C++输入流或一个C++输出流，但加上C的队列，现在，一个C++程序会有两个输入队列、两个输出队列。

这就有点像现实生活中的某种排队现象：入口或出口只有一个，但人们排了两条队，两条队伍各自的内部数据都有次序保障，但是，当门就在眼前，两条队伍如何通过一个门呢？无论是互相礼让，还是争先抢后，都无法保障复原原始的数据次序。

3. 混合输入，同步对比不同步

代码：

#include <cstdio> // C 语言的标准输入输出库
#include <iostream>using namespace std;int main()
{ios_base::sync_with_stdio(false); // 不同步！！！int i, j;scanf("%d", &i); //用C的方式输入  icin >> j; // 用C++的方式输入 jcout << i << ", " << j << endl;return 0;
}

4. 混合输出，同步对比不同步

代码：

#include <cstdio>
#include <iostream>using namespace std;int main()
{ios_base::sync_with_stdio(false);for (int i=0; i<3; ++i){printf("hello from printf!\n");cout << "hello from cout.\n";}return 0;
}

5. 同步与不同步性能对比

代码：

#include <ctime>
#include <cstdio>
#include <iostream>using namespace std;int main()
{ios::sync_with_stdio(false);clock_t beg = clock();for (int i=0; i<30000; ++i){cout << "hello world.";}clock_t end = clock();cout << "\n" << (end - beg) * 1000 / CLOCKS_PER_SEC << "ms." <<endl;return 0;
}

注意，程序使用 sync_with_stdio(false) 取消 C++和C的标准输入输出同步，该操作是不可逆的，即后续无法通过 sync_with_stdio(true) 恢复 同步。

6. 为什么不用太在乎C++标准输入输出的性能？

C++常用以写以下程序：

类型	典型应用	描述	大致占比	输入输出性能
后台服务或底层组件	网络服务、防火墙	不直接面向用户，不使用标准输入输出	25%	不在乎
GUI程序	Photoshop、Office、游戏	使用系统GUI作为输入输出	20%	不在乎
基础工具	命令行文件处理工具：压缩、图片处理	虽然在命令行运行，但几乎没有输入输出	15%	不在乎
简单命令行工具	各类命令行客户端程序：libcurl，文件列表	低频使用标准输入输出	20%	不在乎
非性能敏感的控制台应用	用户开发的简单命令行应用，比如处理excel表格	性能不敏感	15%	不在乎
性能敏感的控制台应用	信息学竞赛程序、远程日志监控等	性能敏感，大量标准输入输出操作会影响程序性能	5%	在乎