C++性能真的不如C吗？

你好，我是雨乐！

最近在知乎上看了篇帖子，题目是为什么C++没有C语言快，如下图：

恰好之前研究过这块，所以借助本文，分析下这个问题（无意于语言之争，单纯是从技术角度😁）。

众所周知，C++兼容了C的所有功能，显然从所有角度去对比分析是不现实的，所以本文从我们常用的输入输出即标准流（iostream和stdio）的角度来分析讲解。

示例

为了更加直观地来对比分析，写了个示例，通过scanf和cin读文件，然后分析两种方式的性能高低，代码如下：

#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;
}

编译，运行之后，输出如下：

cin cost 686ms
scanf cost 189ms

从上述输出来看，cin的耗时是scanf的3倍多，果真如此么？

sync_with_stdio

C++性能真的差C这么多吗？直接颠覆了对C++的认知，即使性能真的低，也得知道为什么低吧，于是开始研究，发现C++为了兼容C，在C标准流(stdio)和C++标准流(iostrem)保持同步，这样就可以混合使用C和C++风格的I/O，且能保证得到合理和预期的结果，而正是这个同步导致C++在cin性能上有损失。如果禁用同步，则允许C++流拥有自己的独立缓冲区，这样性能就会提升很多。

那么是否可以禁用该同步功能呢？

C++提供了一个函数std::ios::sync_with_stdio，声明如下：

static bool sync_with_stdio(bool __sync = true);

如果参数为false，则代表禁用此同步。从上面声明可以看出，默认情况下 __sync = true也就是说禁用同步，而如果__sync为false的话，则会有如下操作：

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;
}

从上述代码，进一步验证了我们上面的说法，如果禁用了同步功能，则C++流使用自己的缓冲区buf_cin(此处以cin为例)，几种buffer的定义如下：

 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，截止到现在，我们已经搞清楚了为什么C++流性能要慢于C，为了验证是否真的是因为使用了同步功能而导致的性能差异，使用std::ios::sync_with_stdio(false)关闭同步，代码示例如下：

#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;
}

编译，运行后，输出如下：

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++流的性能与C基本一致，那么是否直接禁用呢？答案是依赖于具体的使用场景。

1、同步的C++流是线程安全的，也就说来自不同线程的输出可能会交错，但数据不会产生竞争，而如果禁用同步，则可能出现意想不到的结果。

2、如果禁用了同步功能，输入输出顺序可能会得不到我们想要的结果。

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

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

上述代码执行后，输出a b c ，符合我们的预期。

如果加上禁用同步代码，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;
}

编译、运行之后，结果为a c b，与我们期望的不一致。

结语

如果使用C编程，那么使用C stdio，而如果使用C++编程，则建议使用C++ I/O。如果在某些特殊场景下，需要混合使用，那么强烈建议不要禁用同步，否则会得到意想不到的结果。

好了，今天的文章就到这，我们下期见！