C 和 C++ 中几乎相同的代码在执行时间上的巨大差异 (x9)

Question

我试图从 www.spoj.com 解决这个练习：FCTRL - Factorial

你真的不必读它，如果你好奇就读吧:)

首先我用 C++ 实现它（这是我的解决方案）：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    unsigned int num_of_inputs;
    unsigned int fact_num;
    unsigned int num_of_trailing_zeros;

    std::ios_base::sync_with_stdio(false); // turn off synchronization with the C library’s stdio buffers (from https://stackoverflow.com/a/22225421/5218277)

    cin >> num_of_inputs;

    while (num_of_inputs--)
    {
        cin >> fact_num;

        num_of_trailing_zeros = 0;

        for (unsigned int fives = 5; fives <= fact_num; fives *= 5)
            num_of_trailing_zeros += fact_num/fives;

        cout << num_of_trailing_zeros << "\n";
    }

    return 0;
}

我把它作为 g++ 5.1

的解决方案上传了

结果是：时间 0.18 内存 3.3M

但后来我看到一些 cmets 声称他们的时间执行小于 0.1。由于我想不出更快的算法，我尝试在 C 中实现相同的代码：

#include <stdio.h>

int main() {
    unsigned int num_of_inputs;
    unsigned int fact_num;
    unsigned int num_of_trailing_zeros;

    scanf("%d", &num_of_inputs);

    while (num_of_inputs--)
    {
        scanf("%d", &fact_num);

        num_of_trailing_zeros = 0;

        for (unsigned int fives = 5; fives <= fact_num; fives *= 5)
            num_of_trailing_zeros += fact_num/fives;

        printf("%d", num_of_trailing_zeros);
        printf("%s","\n");
    }

    return 0;
}

我把它作为 gcc 5.1

的解决方案上传了

这次的结果是：时间 0.02 内存 2.1M

现在代码几乎相同，我按照here 的建议将std::ios_base::sync_with_stdio(false); 添加到C++ 代码中以关闭与C 库的stdio 缓冲区的同步。我还将printf("%d\n", num_of_trailing_zeros); 拆分为printf("%d", num_of_trailing_zeros); printf("%s","\n");，以补偿cout << num_of_trailing_zeros << "\n"; 中operator<< 的双重调用。

但我仍然看到 C 与 C++ 代码相比 x9 更好的性能和更低的内存使用率。

这是为什么呢？

编辑

我在 C 代码中将 unsigned long 固定为 unsigned int。应该是unsigned int，上面显示的结果与新的（unsigned int）版本有关。

Answer 1

这两个程序做的事情完全相同。它们使用相同的精确算法，并且由于其复杂度低，它们的性能主要取决于输入和输出处理的效率。

一边用scanf("%d", &fact_num); 扫描输入，另一边用cin >> fact_num; 扫描输入，这两种方法的成本似乎都不是很高。事实上，它在 C++ 中的成本应该更低，因为转换的类型在编译时是已知的，并且正确的解析器可以由 C++ 编译器直接调用。输出也是如此。您甚至还特意为printf("%s","\n"); 编写了一个单独的调用，但C 编译器足以将其编译为对putchar('\n'); 的调用。

所以从 I/O 和计算的复杂性来看，C++ 版本应该比 C 版本快。

完全禁用 stdout 的缓冲会使 C 实现速度甚至比 C++ 版本还要慢。 AlexLop 在最后一个printf 之后使用fflush(stdout); 进行的另一项测试产生了与C++ 版本相似的性能。它不像完全禁用缓冲那么慢，因为输出是以小块而不是一次一个字节的形式写入系统的。

这似乎指向您的 C++ 库中的特定行为：我怀疑您的系统对 cin 和 cout 的实现会在从 cin 请求输入时将输出刷新到 cout。一些 C 库也这样做，但通常仅在从终端读取/写入时。 www.spoj.com 网站所做的基准测试可能会重定向文件的输入和输出。

AlexLop 做了另一项测试：一次读取向量中的所有输入，然后计算和写入所有输出，这有助于理解为什么 C++ 版本要慢得多。它提高了 C 版本的性能，这证明了我的观点并消除了对 C++ 格式化代码的怀疑。

Blastfurnace 的另一项测试，将所有输出存储在 std::ostringstream 中并在最后一次爆炸中刷新，确实将 C++ 性能提高到基本 C 版本的性能。 QED。

cin 的交错输入和cout 的输出似乎会导致非常低效的 I/O 处理，从而破坏了流缓冲方案。性能降低 10 倍。

PS：你的算法对于fact_num >= UINT_MAX / 5 是不正确的，因为fives *= 5 在它变成> fact_num 之前会溢出并环绕。如果这些类型之一大于unsigned int，您可以通过将fives 设置为unsigned long 或unsigned long long 来纠正此问题。也使用%u 作为scanf 格式。你很幸运 www.spoj.com 上的人在他们的基准测试中并不太严格。

编辑：正如 vitaux 稍后解释的那样，这种行为确实是 C++ 标准规定的。 cin 默认绑定到 cout。来自cin 的输入操作需要重新填充输入缓冲区，这将导致cout 刷新挂起的输出。在 OP 的实现中，cin 似乎系统地刷新了cout，这有点矫枉过正并且明显效率低下。

Ilya Popov 为此提供了一个简单的解决方案：cin 可以通过在std::ios_base::sync_with_stdio(false); 之外施放另一个魔法咒语来从cout 解开：

cin.tie(nullptr);

另请注意，当使用std::endl 而不是'\n' 在cout 上产生行尾时，也会发生这种强制刷新。将输出行更改为更符合 C++ 习惯和看起来更天真的cout << num_of_trailing_zeros << endl; 会以同样的方式降低性能。

Answer 2

同时使用cin 和cout 时使iostreams 更快的另一个技巧是调用

cin.tie(nullptr);

默认情况下，当您从cin 输入任何内容时，它会刷新cout。如果您进行交错输入和输出，可能会严重损害性能。这是为命令行界面使用完成的，您可以在其中显示一些提示，然后等待数据：

std::string name;
cout << "Enter your name:";
cin >> name;

在这种情况下，您要确保在开始等待输入之前实际显示提示。使用上面的线，你打破了这种联系，cin 和 cout 变得独立。

从 C++11 开始，使用 iostreams 获得更好性能的另一种方法是将std::getline 与std::stoi 一起使用，如下所示：

std::string line;
for (int i = 0; i < n && std::getline(std::cin, line); ++i)
{
    int x = std::stoi(line);
}

这种方式在性能上可以接近C风格，甚至超越scanf。将getchar 尤其是getchar_unlocked 与手写解析一起使用仍然可以提供更好的性能。

PS。我写过a post比较了几种在C++中输入数字的方法，对在线评委很有用，但它只有俄语，对不起。但是，代码示例和最终表格应该是可以理解的。

Answer 3

问题在于，引用cppreference：

来自 std::cin 的任何输入、输出到 std::cerr 或程序终止都会强制调用 std::cout.flush()

这很容易测试：如果你替换

cin >> fact_num;

与

scanf("%d", &fact_num);

cin >> num_of_inputs 相同，但保留cout，您将在 C++ 版本（或者，更确切地说是 IOStream 版本）中获得与 C 版本几乎相同的性能：

如果你保留cin 但替换

cout << num_of_trailing_zeros << "\n";

与

printf("%d", num_of_trailing_zeros);
printf("%s","\n");

如 Ilya Popov 所述，一个简单的解决方案是解开 cout 和 cin：

cin.tie(nullptr);

允许标准库实现在某些情况下省略对刷新的调用，但并非总是如此。这是来自 C++14 27.7.2.1.3 的引用（感谢 chqrlie）：

Class basic_istream::sentry ：首先，如果 is.tie() 不是空指针，则函数调用 is.tie()->flush() 以将输出序列与任何关联的外部 C 流同步。如果 is.tie() 的 put 区域为空，则可以禁止此调用。此外，允许实现将调用延迟到 flush 直到调用 is.rdbuf()->underflow() 发生。如果在哨兵对象被销毁之前没有发生这样的调用，则可能会完全消除对刷新的调用。