为什么这种使用 putchar_unlocked 的方法打印字符串比 printf 和 cout 慢？

Question

我正在研究为编程竞赛加速我的代码的方式，用作输入和输出处理的基础加速。

我目前正在使用线程不安全的 putchar_unlocked 函数来打印一些测试。我相信这个函数比 cout e printf 对于某些数据类型更快，如果由于它的线程解锁特性而很好地实现的话。

我实现了一个以这种方式打印字符串的函数（在我看来非常简单）：

void write_str(char s[], int n){
    int i;
    for(i=0;i<n;i++)
        putchar_unlocked(s[i]);
}

我测试了一个大小为 n 且恰好 n 个字符的字符串。
但它是三个中最慢的，我们如何在这张输出写入次数与以秒为单位的时间的关系图中看到：

为什么它是最慢的？

Answer 1

选择更快的字符串输出方式会与所用的平台、操作系统、编译器设置和运行时库发生冲突，但有一些概括可能有助于理解select。

首先，考虑到操作系统可能有一种方法可以一次显示字符串而不是字符，如果是这样，循环执行一次一个字符输出的系统调用自然会调用每个字符的开销对系统的调用，而不是一个系统调用处理字符数组的开销。

这基本上就是您遇到的情况，即系统调用的开销。

与 putchar 相比，putchar_unlocked 的性能提升可能相当大，但仅介于这两个函数之间。此外，大多数运行时库没有 putchar_unlocked（我在较旧的 MAC OS X 文档中找到它，但没有 Linux 或 Windows）。

也就是说，锁定或解锁，对于处理整个字符数组的系统调用可能会消除每个字符的开销，并且此类概念扩展到输出到文件或其他设备，而不仅仅是控制台.

Answer 2

假设最多约 1,000,000 百万个字符的时间测量值低于测量阈值并且写入 std::cout 和 stdout 是使用批量写入的形式进行的（例如 std::cout.write(str, size))，我猜 putchar_unlock() 除了放置字符之外，大部分时间实际上都在更新数据结构的某些部分。其他批量写入会将数据批量复制到缓冲区中（例如，使用 memcpy()）并仅在内部更新一次数据结构。

也就是说，代码看起来像这样（这是 pidgeon 代码，即，只是粗略地显示正在发生的事情；真正的代码至少会稍微复杂一些）：

int putchar_unlocked(int c) {
    *stdout->put_pointer++ = c;
    if (stdout->put_pointer != stdout->buffer_end) {
        return c;
    }
    int rc = write(stdout->fd, stdout->buffer_begin, stdout->put_pointer - stdout->buffer_begin);
    // ignore partial writes
    stdout->put_pointer = stdout->buffer_begin;
    return rc == stdout->buffer_size? c: EOF;
}

代码的批量版本正在做一些类似的事情（使用 C++ 表示法，因为它更容易成为 C++ 开发人员；同样，这是 pidgeon 代码）：

int std::streambuf::write(char const* s, std::streamsize n) {
    std::lock_guard<std::mutex> guard(this->mutex);
    std::streamsize b = std::min(n, this->epptr() - this->pptr());
    memcpy(this->pptr(), s, b);
    this->pbump(b);
    bool success = true;
    if (this->pptr() == this->epptr()) {
        success = this->this->epptr() - this->pbase()
            != write(this->fd, this->pbase(), this->epptr() - this->pbase();
        // also ignoring partial writes
        this->setp(this->pbase(), this->epptr());
        memcpy(this->pptr(), s + b, n - b);
        this->pbump(n - b);
    }
    return success? n: -1;
}

第二个代码可能看起来有点复杂，但是对于30个字符只执行一次。许多检查被移出了有趣的部分。即使完成了一些锁定，它也锁定了一个无竞争的互斥锁，不会过多地抑制处理。

特别是当不做任何分析时，使用 putchar_unlocked() 的循环将不会得到太多优化。特别是，代码不会被矢量化，这会导致直接因子至少约为 3，但在实际循环中可能甚至接近 16。锁的成本会很快降低。

顺便说一句，只是为了创建合理水平的游乐场：除了优化之外，您还应该在使用 C++ 标准流对象时调用 std::sync_with_stdio(false)。

Answer 3

我个人的猜测是 printf() 以块的形式执行，并且每个块只需要偶尔通过 app/kernel 边界。

putchar_unlocked() 为写入的每个字节执行此操作。

为什么这种使用 putchar_unlocked 的方法打印字符串比 printf 和 cout 慢？

Why this method using putchar_unlocked is slower than printf and cout to print strings?

c

c++

printf

cout

putchar