C++性能真的不如C嗎？

你好，我是雨樂！

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(gè)問題（無意于語言之爭(zhēng)，單純是從技術(shù)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(duì)比分析是不現(xiàn)實(shí)的，所以本文從我們常用的輸入輸出即標(biāo)準(zhǔn)流（iostream和stdio）的角度來分析講解。

示例

為了更加直觀地來對(duì)比分析，寫了個(gè)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：

#include <chrono>
#include <functional>
#include <iostream>
#include <fstream>
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(yùn)行之后，輸出如下：

cin cost 686ms
scanf cost 189ms

從上述輸出來看，cin的耗時(shí)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(duì)C++的認(rèn)知，即使性能真的低，也得知道為什么低吧，于是開始研究，發(fā)現(xiàn)C++為了兼容C，在C標(biāo)準(zhǔn)流(stdio)和C++標(biāo)準(zhǔn)流(iostrem)保持同步，這樣就可以混合使用C和C++風(fēng)格的I/O，且能保證得到合理和預(yù)期的結(jié)果，而正是這個(gè)同步導(dǎo)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(dú)立緩沖區(qū)，這樣性能就會(huì)提升很多。

那么是否可以禁用該同步功能呢？

C++提供了一個(gè)函數(shù)std::ios::sync_with_stdio，聲明如下：

static bool sync_with_stdio(bool __sync = true);

如果參數(shù)為false，則代表禁用此同步。從上面聲明可以看出，默認(rèn)情況下 __sync = true也就是說禁用同步，而如果__sync為false的話，則會(huì)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(jìn)一步驗(yàn)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(qū)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(xiàn)在，我們已經(jīng)搞清楚了為什么C++流性能要慢于C，為了驗(yàn)證是否真的是因?yàn)槭褂昧送焦δ芏鴮?dǎo)致的性能差異，使用std::ios::sync_with_stdio(false)關(guān)閉同步，代碼示例如下：

#include <chrono>
#include <functional>
#include <iostream>
#include <fstream>
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(yùn)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(chǎng)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(huì)交錯(cuò)，但數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，而如果禁用同步，則可能出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。

2、如果禁用了同步功能，輸入輸出順序可能會(huì)得不到我們想要的結(jié)果。

#include <stdio.h>
#include <iostream>

int  main() {
  std::cout << "a ";
  printf("b ");
  std::cout << "c ";
  return 0;
}

上述代碼執(zhí)行后，輸出a b c ，符合我們的預(yù)期。

如果加上禁用同步代碼，如下：

#include <stdio.h>
#include <iostream>

int  main() {
std::ios_base::sync_with_stdio(false);
std::cout << "a ";
printf("b ");
std::cout << "c ";

return 0;
}

編譯、運(yùn)行之后，結(jié)果為a c b，與我們期望的不一致。

結(jié)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(chǎng)景下，需要混合使用，那么強(qiáng)烈建議不要禁用同步，否則會(huì)得到意想不到的結(jié)果。

好了，今天的文章就到這，我們下期見！