為什么C++和C的標準輸入輸出不同步時，數據會混亂？同步會帶來多大性能損失？為什么說這個損失通常不用太在乎？
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C++之“流”-第2課：和C輸入輸出的同步
1. 理解cin和cout的類型與創建過程
std::cout 是std::ostream類型的一個變量；而 std::ostream是std::basic_ostream<char>模板類的類型別名（ typedef ）。std::cin是std::isteram類型的一個變量，而std::istream是std::back_istream<cahr>模板類的類型別名。兩個模板類中的 “char” 參數，表明二者都是基于普通 字符（char）作為最小輸出或輸入單位。如果改為 wchar_t，則以UNICODE字符串作為基本輸入輸出單位。
正如上一節課所說，std::ostream和std::istream都是抽象概念的流，無法直接創建對應的輸出或輸入流對象。
注意，C++中的“抽象”概念，和 Java 這樣更加純粹的“面向對象”的編程語言有所不同。Java 中的“抽象”，通常使用：“什么實事都不做，只負責定要求” 的接口（interface）表達。C++中有更多不同的方式來表達抽象概念，可以同樣“什么事都不做，只負責定要求”的純虛類，也可以是“做了很多基礎的事，但禁用了特定構建方法”的方式。兩種方式的共同表現是：不讓用戶直接創建對象。
std::ostream和std::istream對外開放的構造方法，都要求一個“流緩存區/stream_buf”入參。以輸出為例，我們可以：
- 設計并實現一個內存輸出緩存區，傳入后以得到一個內存輸出流的基本功能；
- 設計并實現一個文件輸出緩存區，傳入后以得到一個文件輸出流的基本功能；
- 設計并實現一個網絡輸出緩存區，傳入后以得到一個網絡輸出流的基本功能；
那么，為std::istream的構造函數傳入一個鍵盤輸入流緩存區，就能得到一個標準輸入流，即std::cin；而為std::ostream傳入一個屏幕輸出流緩存區，就能得到一個標準輸出流，即std::cout。但實際上，C++程序中的std::cin和std::cout對象，都是C++庫自動創建出來的，并且不允許用戶手工創建二者。為什么呢？因為對一個程序來說，標準輸入設施應該只有一個，標準輸出設施也應該只有一個；如果用戶自己創建，就擋不住有用戶創建出一打標準輸入流或標準輸出流了。
在Windows的控制臺（console）或Linux下的終端（terminal）里，鍵盤被稱為程序的標準輸入設備，屏幕被稱為程序的標準輸出。并且，無論一臺電腦接多少個鍵盤（少見），在邏輯上都會被當作一個鍵盤；同理，無論一臺電腦接多少個屏幕（常見），在邏輯上也都會被當作一個屏幕。因此，cin 和 cout 本質上是一種“單例”，即整個程序中，只能一個標準輸入流，一個標準輸出流。
這種“一個程序里，某種類型的對象只有一個”的邏輯的實現，有專門的，稱為“單例模式”的設計模式來實現。C++實現 cin 和 cout 的單例保障倒很簡單：使用默認構造函數（沒有任何入參）來創建特定對象，再把該默認構造函數的訪問權限設置為私有（private）或保護的（protected），在gc++的實現中使用的是后者。標準庫內部可以通過 “友元”加“派生”的方式，實現對基類受保護的默認構造函數的調用。
一旦調用std::ostream的默認構造函數，由于沒有入參，也就沒有外部傳入的輸出緩存區，此時標準庫將自動創建標準輸出流的緩存區，從而創建出標準輸出流，即：std::cout對象。標準輸入流的創建過程與此類型，同樣是調用默認構造函數，然后自行創建、關聯和鍵盤輸入緩存區，從而創建出 std::cin。
以上調用過程都是在程序主函數 main() 開始之前，就執行完畢，因此我們的程序在一開始就能夠方便地使用std::cin和std::cout。事實上，在 main() 之前我們就可以使用了。如果在 main() 函數之前就開始執特定代碼，這是C++的另一個知識點，不在此講解。
2. 數據輸入輸出次序沖突問題的出現
到現在，一切看起來很完美：cin和cout是自動創建的，并且各自只會有一份，不會沖突……但是，考慮到C++的一個重要的歷史使命：兼容C語言，問題就來了——
C 語言有自己的輸入輸出機制，并且本質上，底層也需要用到輸入或輸出緩存區。上一節課我們說過，這個緩存區本質是一個數據隊列，一個“有次序保障”的數據隊列。C++盡管做到了一個程序只有一個C++輸入流或一個C++輸出流，但加上C的隊列，現在，一個C++程序會有兩個輸入隊列、兩個輸出隊列。
這就有點像現實生活中的某種排隊現象：入口或出口只有一個，但人們排了兩條隊，兩條隊伍各自的內部數據都有次序保障，但是，當門就在眼前，兩條隊伍如何通過一個門呢？無論是互相禮讓，還是爭先搶后，都無法保障復原原始的數據次序。
3. 混合輸入，同步對比不同步
代碼：
#include <cstdio> // C 語言的標準輸入輸出庫
#include <iostream>using namespace std;int main()
{ios_base::sync_with_stdio(false); // 不同步！！！int i, j;scanf("%d", &i); //用C的方式輸入 icin >> j; // 用C++的方式輸入 jcout << i << ", " << j << endl;return 0;
}4. 混合輸出，同步對比不同步
代碼：
#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. 同步與不同步性能對比
代碼：
#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的標準輸入輸出同步，該操作是不可逆的，即后續無法通過 sync_with_stdio(true) 恢復 同步。
6. 為什么不用太在乎C++標準輸入輸出的性能？
C++常用以寫以下程序：
| 類型 | 典型應用 | 描述 | 大致占比 | 輸入輸出性能 |
|---|---|---|---|---|
| 后臺服務或底層組件 | 網絡服務、防火墻 | 不直接面向用戶，不使用標準輸入輸出 | 25% | 不在乎 |
| GUI程序 | Photoshop、Office、游戲 | 使用系統GUI作為輸入輸出 | 20% | 不在乎 |
| 基礎工具 | 命令行文件處理工具：壓縮、圖片處理 | 雖然在命令行運行，但幾乎沒有輸入輸出 | 15% | 不在乎 |
| 簡單命令行工具 | 各類命令行客戶端程序：libcurl，文件列表 | 低頻使用標準輸入輸出 | 20% | 不在乎 |
| 非性能敏感的控制臺應用 | 用戶開發的簡單命令行應用，比如處理excel表格 | 性能不敏感 | 15% | 不在乎 |
| 性能敏感的控制臺應用 | 信息學競賽程序、遠程日志監控等 | 性能敏感，大量標準輸入輸出操作會影響程序性能 | 5% | 在乎 |
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