关于读入优化的分析
Creeper_LKF
2018-02-14 16:48:39
# 关于读入优化的分析
## 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：
1. 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;
2. 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)
3. 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：
### cin_with_sync(true)
```
#include <cstdio>
#include <iostream>
using namespace std;
#define MAXN 11111111
inline int test(){
int recieve_int, ret = 0;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
cin >> recieve_int;
ret += recieve_int;
}
char recieve_char;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
cin >> recieve_char;
ret -= recieve_char;
}
return ret + 1;
}
int main(){
freopen("fr.in", "r", stdin);
printf("%d", test());
fclose(stdin);
return 0;
}
```
### cin_with_sync(false)
```
#include <cstdio>
#include <iostream>
using namespace std;
#define MAXN 11111111
inline int test(){
ios::sync_with_stdio(false);
cin.tie(0);
int recieve_int, ret = 0;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
cin >> recieve_int;
ret += recieve_int;
}
char recieve_char;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
cin >> recieve_char;
ret -= recieve_char;
}
return ret + 1;
}
int main(){
freopen("fr.in", "r", stdin);
printf("%d", test());
fclose(stdin);
return 0;
}
```
### scanf
```
#include <cstdio>
using namespace std;
#define MAXN 11111111
inline int test(){
int recieve_int, ret = 0;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
scanf("%d", &recieve_int);
ret += recieve_int;
}
char recieve_char;
scanf("%c", &recieve_char), scanf("%c", &recieve_char);
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
scanf("%c", &recieve_char);
ret -= recieve_char;
}
return ret + 1;
}
int main(){
freopen("fr.in", "r", stdin);
printf("%d", test());
fclose(stdin);
return 0;
}
```
### getchar
```
#include <cstdio>
using namespace std;
#define MAXN 11111111
inline int read(){
int num = 0;
char c;
while((c = getchar()) < 48);
while(num = num * 10 + c - 48, (c = getchar()) >= 48);
return num;
}
inline int test(){
int recieve_int, ret = 0;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
recieve_int = read();
ret += recieve_int;
}
char recieve_char;
while((recieve_char = getchar()) < 60);
ret -= recieve_char;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
recieve_char = getchar();
ret -= recieve_char;
}
return ret;
}
int main(){
freopen("fr.in", "r", stdin);
printf("%d", test());
fclose(stdin);
return 0;
}
```
### fread(old)
```
#include <cstdio>
using namespace std;
#define MAXN 11111111
#define Finline __inline__ __attribute__ ((always_inline))
Finline char get_char(){
static char buf[200000001], *p1 = buf, *p2 = buf;
return p1 == p2 && (p2 = (p1 = buf) + fread(buf, 1, 200000000, stdin), p1 == p2) ? EOF : *p1 ++;
}
inline int read(){
int num = 0;
char c;
while((c = get_char()) < 48);
while(num = num * 10 + c - 48, (c = get_char()) >= 48);
return num;
}
inline int test(){
int recieve_int, ret = 0;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
recieve_int = read();
ret += recieve_int;
}
char recieve_char;
while((recieve_char = get_char()) < 60);
ret -= recieve_char;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
recieve_char = get_char();
ret -= recieve_char;
}
return ret;
}
int main(){
freopen("fr.in", "r", stdin);
printf("%d", test());
fclose(stdin);
return 0;
}
```
### fread(new)
```
#include <cstdio>
using namespace std;
#define MAXN 11111111
#define Finline __inline__ __attribute__ ((always_inline))
Finline char get_char(){
static char buf[200000001], *p1 = buf, *p2 = buf + fread(buf, 1, 200000000, stdin);
return p1 == p2 ? EOF : *p1 ++;
}
inline int read(){
int num = 0;
char c;
while((c = get_char()) < 48);
while(num = num * 10 + c - 48, (c = get_char()) >= 48);
return num;
}
inline int test(){
int recieve_int, ret = 0;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
recieve_int = read();
ret += recieve_int;
}
char recieve_char;
while((recieve_char = get_char()) < 60);
ret -= recieve_char;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
recieve_char = get_char();
ret -= recieve_char;
}
return ret;
}
int main(){
freopen("fr.in", "r", stdin);
printf("%d", test());
fclose(stdin);
return 0;
}
```
### mmap
```
#include <cstdio>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
using namespace std;
#define MAXN 11111111
#define Finline __inline__ __attribute__ ((always_inline))
char *pc;
inline int read(){
int num = 0;
char c;
while ((c = *pc++) < 48);
while (num = num * 10 + c - 48, (c = *pc++) >= 48);
return num;
}
inline int test(){
pc = (char *) mmap(NULL, lseek(0, 0, SEEK_END), PROT_READ, MAP_PRIVATE, 0, 0);
int recieve_int, ret = 0;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
recieve_int = read();
ret += recieve_int;
}
char recieve_char;
while((recieve_char = *pc++) < 60);
ret -= recieve_char;
for(int i = 0; i < MAXN; i++){
recieve_char = *pc++;
ret -= recieve_char;
}
return ret + 1;
}
int main(){
freopen("fr.in", "r", stdin);
printf("%d", test());
fclose(stdin);
return 0;
}
```
### 数据生成器
```
#include <ctime>
#include <cstdio>
#include <climits>
#include <algorithm>
#define MAXN 11111111
int main(){
freopen("fr.in", "w", stdout);
srand(time(NULL));
for(int i = 0; i < MAXN; i++) printf("%d ", rand() % INT_MAX);
puts("");
for(int i = 0; i < MAXN; i++) putchar(rand() % 48 + 79);
fclose(stdout);
return 0;
}
```
## 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：
而且据最新试验表明，在Luogu_OJ上对于正常输入的题平均每1.5MB的输入mmap和fread(new)具有时间差4ms
## 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36ms，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。
然而如果是在需要cin来读字符串或者某些奇怪的东西的话，建议不要流同步。当然如果你知道流的概念之后也可以灵活使用。
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（实测在某些平台上（例如Win32的部分机子）是会出现无法读入的情况，但一般测评系统都会支持，所以在提交时可以改掉）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。
## 更新
鉴于在实际使用过程中，有extern inline优化（更强的内联优化），但是这种优化需要慎用。
于是我们顺便来讲一下inline的作用。
inline是一种浪费空间而换取时间的玩意。
一般在没有复杂语句，没有循环，多次调用的地方用。
对于一般的inline，编译器常常会忽略这种优化，除非像这么简单（一般来说，带有循环、递归、switch、goto、static都不会inline）的：
```
__asm__ __volatile__ ("\tmovq %1, %%rax \n\t imulq %2 \n\t idivq %3\n" : "=d"(ret): "m"(a), "m"(b), "m"(MODS) : "%rax");
```
然后对于static inline，编译器会有所重视（当然详细的信息需要深入研究），对于__函数声明前的调用__、递归调用、被通过地址应用的，编译器会像普通函数一样编译。
对于extern inline，编译器大部分都会展开，达到一个类似于宏函数的效果，但是比宏函数略微高级的是它采用的不是直接替换，例如#define pow(x) x * x，然后调用pow(10 + 10)就会出问题，但是extern inline不会。但是似乎extern inline有时候使用会有问题，例如我就遇到过在extern inline过的函数对全局变量操作出错的问题。
然后目前来说似乎对于几种快速读入，笔者用起来还是没有问题的。当然这还受到代码细节的影响。
## 协议
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