为什么C++和C的标准输入输出不同步时，数据会混乱？同步会带来多大性能损失？为什么说这个损失通常不用太在乎？
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C++之“流”-第2课：和C输入输出的同步
1. 理解cin和cout的类型与创建过程
std::cout 是std::ostream类型的一个变量；而 std::ostream是std::basic_ostream<char>模板类的类型别名（ typedef ）。std::cin是std::isteram类型的一个变量，而std::istream是std::back_istream<cahr>模板类的类型别名。两个模板类中的 “char” 参数，表明二者都是基于普通 字符（char）作为最小输出或输入单位。如果改为 wchar_t，则以UNICODE字符串作为基本输入输出单位。
正如上一节课所说，std::ostream和std::istream都是抽象概念的流，无法直接创建对应的输出或输入流对象。
注意，C++中的“抽象”概念，和 Java 这样更加纯粹的“面向对象”的编程语言有所不同。Java 中的“抽象”，通常使用：“什么实事都不做，只负责定要求” 的接口（interface）表达。C++中有更多不同的方式来表达抽象概念，可以同样“什么事都不做，只负责定要求”的纯虚类，也可以是“做了很多基础的事，但禁用了特定构建方法”的方式。两种方式的共同表现是：不让用户直接创建对象。
std::ostream和std::istream对外开放的构造方法，都要求一个“流缓存区/stream_buf”入参。以输出为例，我们可以：
- 设计并实现一个内存输出缓存区，传入后以得到一个内存输出流的基本功能；
- 设计并实现一个文件输出缓存区，传入后以得到一个文件输出流的基本功能；
- 设计并实现一个网络输出缓存区，传入后以得到一个网络输出流的基本功能；
那么，为std::istream的构造函数传入一个键盘输入流缓存区，就能得到一个标准输入流，即std::cin；而为std::ostream传入一个屏幕输出流缓存区，就能得到一个标准输出流，即std::cout。但实际上，C++程序中的std::cin和std::cout对象，都是C++库自动创建出来的，并且不允许用户手工创建二者。为什么呢？因为对一个程序来说，标准输入设施应该只有一个，标准输出设施也应该只有一个；如果用户自己创建，就挡不住有用户创建出一打标准输入流或标准输出流了。
在Windows的控制台（console）或Linux下的终端（terminal）里，键盘被称为程序的标准输入设备，屏幕被称为程序的标准输出。并且，无论一台电脑接多少个键盘（少见），在逻辑上都会被当作一个键盘；同理，无论一台电脑接多少个屏幕（常见），在逻辑上也都会被当作一个屏幕。因此，cin 和 cout 本质上是一种“单例”，即整个程序中，只能一个标准输入流，一个标准输出流。
这种“一个程序里，某种类型的对象只有一个”的逻辑的实现，有专门的，称为“单例模式”的设计模式来实现。C++实现 cin 和 cout 的单例保障倒很简单：使用默认构造函数（没有任何入参）来创建特定对象，再把该默认构造函数的访问权限设置为私有（private）或保护的（protected），在gc++的实现中使用的是后者。标准库内部可以通过 “友元”加“派生”的方式，实现对基类受保护的默认构造函数的调用。
一旦调用std::ostream的默认构造函数，由于没有入参，也就没有外部传入的输出缓存区，此时标准库将自动创建标准输出流的缓存区，从而创建出标准输出流，即：std::cout对象。标准输入流的创建过程与此类型，同样是调用默认构造函数，然后自行创建、关联和键盘输入缓存区，从而创建出 std::cin。
以上调用过程都是在程序主函数 main() 开始之前，就执行完毕，因此我们的程序在一开始就能够方便地使用std::cin和std::cout。事实上，在 main() 之前我们就可以使用了。如果在 main() 函数之前就开始执特定代码，这是C++的另一个知识点，不在此讲解。
2. 数据输入输出次序冲突问题的出现
到现在，一切看起来很完美：cin和cout是自动创建的，并且各自只会有一份，不会冲突……但是，考虑到C++的一个重要的历史使命：兼容C语言，问题就来了——
C 语言有自己的输入输出机制，并且本质上，底层也需要用到输入或输出缓存区。上一节课我们说过，这个缓存区本质是一个数据队列，一个“有次序保障”的数据队列。C++尽管做到了一个程序只有一个C++输入流或一个C++输出流，但加上C的队列，现在，一个C++程序会有两个输入队列、两个输出队列。
这就有点像现实生活中的某种排队现象：入口或出口只有一个，但人们排了两条队，两条队伍各自的内部数据都有次序保障，但是，当门就在眼前，两条队伍如何通过一个门呢？无论是互相礼让，还是争先抢后，都无法保障复原原始的数据次序。
3. 混合输入，同步对比不同步
代码：
#include <cstdio> // C 语言的标准输入输出库
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
ios_base::sync_with_stdio(false); // 不同步！！！
int i, j;
scanf("%d", &i); //用C的方式输入 i
cin >> j; // 用C++的方式输入 j
cout << i << ", " << j << endl;
return 0;
}4. 混合输出，同步对比不同步
代码：
#include <cstdio>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
ios_base::sync_with_stdio(false);
for (int i=0; i<3; ++i)
{
printf("hello from printf!\n");
cout << "hello from cout.\n";
}
return 0;
}5. 同步与不同步性能对比
代码：
#include <ctime>
#include <cstdio>
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
ios::sync_with_stdio(false);
clock_t beg = clock();
for (int i=0; i<30000; ++i)
{
cout << "hello world.";
}
clock_t end = clock();
cout << "\n" << (end - beg) * 1000 / CLOCKS_PER_SEC << "ms." <<endl;
return 0;
}注意，程序使用 sync_with_stdio(false) 取消 C++和C的标准输入输出同步，该操作是不可逆的，即后续无法通过 sync_with_stdio(true) 恢复 同步。
6. 为什么不用太在乎C++标准输入输出的性能？
C++常用以写以下程序：
| 类型 | 典型应用 | 描述 | 大致占比 | 输入输出性能 |
|---|---|---|---|---|
| 后台服务或底层组件 | 网络服务、防火墙 | 不直接面向用户，不使用标准输入输出 | 25% | 不在乎 |
| GUI程序 | Photoshop、Office、游戏 | 使用系统GUI作为输入输出 | 20% | 不在乎 |
| 基础工具 | 命令行文件处理工具：压缩、图片处理 | 虽然在命令行运行，但几乎没有输入输出 | 15% | 不在乎 |
| 简单命令行工具 | 各类命令行客户端程序：libcurl，文件列表 | 低频使用标准输入输出 | 20% | 不在乎 |
| 非性能敏感的控制台应用 | 用户开发的简单命令行应用，比如处理excel表格 | 性能不敏感 | 15% | 不在乎 |
| 性能敏感的控制台应用 | 信息学竞赛程序、远程日志监控等 | 性能敏感，大量标准输入输出操作会影响程序性能 | 5% | 在乎 |
