【C++】深入理解 C++ 输入输出同步机制：为什么 cin/cout 没有 scanf/printf 快？

一、同步机制

• C++ 的 cin 和 cout:
  • cin 和 cout 默认是同步的，这意味着它们会与 C 语言的标准输入输出流（stdin 和 stdout）保持同步。这种同步机制可以防止多个线程之间的冲突，但也增加了额外的开销。
• C 语言的 scanf 和 printf:
  • scanf 和 printf 没有类似的同步机制，默认情况下是异步的，因此在多线程环境下需要注意同步问题。

二、为什么要同步：

1. 共享缓冲区：
   • cin 和 cout 使用的缓冲区与 stdin 和 stdout 使用的缓冲区是相同的。这意味着无论你使用哪种方式读写数据，都会影响到同一个缓冲区。
2. 顺序保证：
   • 输入输出操作的顺序得到保证。例如，如果你先用 printf 输出一条消息，再用 cout 输出另一条消息，这两条消息会按照预期的顺序输出，不会交错。
3. 避免冲突：
   • 避免了在同一程序中混合使用 C++ 流和 C 语言函数时可能出现的冲突。例如，如果你在一个线程中使用 cin 读取数据，而在另一个线程中使用 scanf 读取数据，同步机制确保这两个操作不会相互干扰。

三、如果关闭同步机制会如何：

关闭同步机制后，cin 和 cout 不再与 stdin 和 stdout 保持同步，这可能导致以下几种情况：

1、输出顺序不保证：

• 如果你在同一个程序中混合使用 cout 和 printf，输出的顺序可能不再按预期进行。例如，cout 的输出可能会覆盖 printf 的输出，或者两者之间的顺序可能会变得混乱。

• 当同步机制关闭后，cout 和 printf 的缓冲区管理变得独立。每个 cout 调用和 printf 调用可能会在不同的时间点刷新缓冲区，导致输出顺序变得不可预测。

• 举个例子：

  #include <iostream>
  #include <cstdio>
  using namespace std;
  
  int main() {
      // 关闭同步机制
      ios::sync_with_stdio(0), cin.tie(0), cout.tie(0);
  
      cout << "Hello from C++\n";
      printf("Hello from C\n");
      
      cout << "Goodbye from C++\n";
      printf("Goodbye from C\n");
  
      return 0;
  }
  

如果没有关闭同步，输出顺序应该是这样的：

Hello from C++
Hello from C
Goodbye from C++
Goodbye from C

但在关闭同步机制后，实际输出可能会变得不可预测：

可能是这样

Hello from C++
Goodbye from C++
Hello from C
Goodbye from C

也可能是

Hello from C
Hello from C++
Goodbye from C
Goodbye from C++

2、输入冲突：

• 如果你在同一个程序中混合使用 cin 和 scanf，可能会导致输入冲突。例如，cin 可能会读取 scanf 留下的缓冲区内容，或者反之亦然。

四、进一步理解细节：

1、两个输出缓冲区，导致输出顺序不同：

关闭同步机制后，cin 和 cout 以及 scanf 和 printf 的缓冲区管理互相独立，各自有各自的一个缓冲区，而它们仍然共享同一个底层输入输出设备，这就说明一个程序内两个缓冲区对应着一个底层输入输出设备。

关系演示：关闭同步 ——> 两套输入输出的缓冲区管理独立 ——> 各自有一个缓冲区 ——> 两者共享同一个底层输入输出设备 == 一个程序内两个缓冲区对应着一个底层输入输出设备

就是因为关闭同步后，两者使用独立的缓冲区管理机制与各自独立的缓冲区，因此两者的刷新输出数据时机就各自管理，因此 输出顺序无法保证相同，就会出现顺序不一致的现象

2、一个输入缓冲区，导致读取数据错乱：

在关闭同步机制后，尽管 cin 和 scanf 使用独立的缓冲区管理机制，各自独立有一套输出缓冲区，但它们仍然共享同一个底层的输入缓冲区，即标准输入缓冲区。这个标准输入缓冲区是由操作系统管理的，用于暂存从输入设备（如键盘）接收到的数据。

用户通过键盘输入数据。

这些数据首先被暂存到操作系统的内核缓冲区中。内核缓冲区是操作系统内部用于暂存输入数据的区域。

当用户按下回车键时，内核缓冲区中的数据被刷新到用户层面的标准输入缓冲区。

cin 和 scanf 就在这个用户层面的标准输入缓冲区中读取数据

（1）输入冲突的具体原因

1. 标准输入缓冲区的残留数据：
   • 当 scanf 读取数据时，它可能不会完全清空标准输入缓冲区。剩余的数据可能会被后续的 cin 读取。
   • 同样，当 cin 读取数据时，它可能不会完全清空标准输入缓冲区，剩余的数据可能会被后续的 scanf 读取。
   • 例如用户通过键盘输入这样一条字符串到缓冲区：hello world ，cin 遇到空格停止读取，当通过 cin 读取时，会将 hello 读取到，而将 world 留在缓冲区中，而 cin 又不会主动清空标准输入缓冲区，则剩余的数据可能会被后续的 scanf 读取。
2. 独立的缓冲区管理：
   • 因为管理机制独立，读取缓冲区的时机也不一致了：cin 和 scanf 使用独立的缓冲区管理机制，它们各自决定何时从标准输入缓冲区中读取数据。

五、关闭同步机制：

ios::sync_with_stdio(0), cin.tie(0), cout.tie(0);

这行代码可以关闭 cin 和 cout 与 C 语言标准输入输出流的同步机制，并解除 cin 和 cout 之间的绑定，从而显著提高性能。

注意关闭了同步，就要注意尽量不要同时使用 cin/cout 和 scanf/printf