第五章 C++ 输入与输出

在 C++ 中，数据的输入与输出是程序与外界交互的唯一桥梁。C++ 同时继承了 C 语言的高效输入输出库 <cstdio>，并提供了面向对象的流输入输出库 <iostream>。本章将详细讲解这两套输入输出系统的使用方法、格式化排版技术以及竞赛中至关重要的效率优化技巧。

5.1 使用标准输入/输出（C 风格）

标准输入输出使用 C 语言传统的高效库。 * 头文件：<cstdio> * 变量约定： * 可以使用文件指针 FILE *fin, *fout; 分别代表输入文件和输出文件。 * 在标准的控制台读写中，将它们替换为 stdin 和 stdout，即代表从键盘输入以及输出到屏幕。

1. 格式化输出：printf / fprintf

输出字符串或变量的值可以使用：

printf("格式字符串", 变量1, 变量2, ...);
// 或者输出到指定文件指针 fout 中
fprintf(fout, "格式字符串", 变量1, 变量2, ...);

常用格式占位符：

常用格式修饰符：

• %5d：右对齐输出至少占用 5 位宽度的整数。若实际位数不足 5 位，左侧用空格补齐；若实际位数超过 5 位，则按实际位数完整输出。
• %-5d：左对齐输出至少占用 5 位宽度的整数。若实际位数不足 5 位，右侧用空格补齐；若实际位数超过 5 位，则按实际位数完整输出。
• %05d：右对齐输出至少占用 5 位宽度的整数。若实际位数不足 5 位，左侧用字符 '0' 补齐；若实际位数超过 5 位，则按实际位数完整输出。
• %+d：输出整数时，无论正数还是负数，都显式输出其正负号。
• %.2f：保留 2 位小数输出浮点数。若小数部分超过 2 位则四舍五入；若不足 2 位则在末尾用 0 补全。

2. 格式化输入：scanf / fscanf

用于从标准输入或文件中读取变量值。

scanf("格式字符串", &变量1, &变量2, ...);
// 或者从指定文件指针 fin 中读取
fscanf(fin, "格式字符串", &变量1, &变量2, ...);

• 地址符 & 警告：在使用 scanf 或 fscanf 读入基本类型变量（如 int, double, char 等）时，千万不要漏掉取地址运算符 &。因为 printf 传递的是变量的值，而 scanf 必须接收变量的内存地址才能将读入的值写入。
• 返回值说明：scanf 和 fscanf 的返回值是成功输入并赋值的变量个数。若读取到文件末尾无数据可读时，fscanf 会返回常量值 EOF（通常定义为 -1）。
• 分界符特征：scanf 和 fscanf 会自动忽略前导的制表符（TAB）、空格和回车。在读取数据时，一旦遇到这些空白字符，就会停止当前变量的读取。

3. 读取单个字符：fgetc

• 使用 fgetc(fin) 可以从输入流中读取下一个字符。
• 正确流程：在读取时，应该先将返回值存入 int 类型的变量中，并首先判断该返回值是否等于 EOF。在确认不是 EOF 后，再通过强制类型转换将其转换为 char 类型使用。
• 跨平台换行符差异： 不同操作系统在文本文件中的行末换行符标准并不统一，处理单字符读入时需特别注意：
  • Linux 系统：换行符为 \n（ASCII 10）。
  • macOS 系统：换行符为 \r（ASCII 13）。
  • Windows 系统：换行符由连续的两个字符组成，依次为 \r 和 \n。

5.2 使用流输入/输出（C++ 风格）

C++ 提供了更加类型安全、书写简便的输入输出流。 * 头文件：<iostream>

1. 基础读写操作

• 输入到变量：cin >> n;
• 输出到屏幕：cout << a;
• 连续链式读写： cpp cin >> n >> m; cout << a << ',' << b << "\n";
• 关于换行：在输出换行时，建议直接输出字符串 "\n"。由于 std::endl 在换行的同时会强行刷新输出缓冲区（flush），在大量输出时会导致效率显著降低。

2. 格式化输出控制

• 头文件：<iomanip>

长度与对齐控制：

若要实现右对齐、占用 $n$ 位长度、不足部分用特定字符补齐，可以按如下方式调用：

cout.width(n);
cout.fill(' '); // 如果想用 "0" 补齐，可以将空格换成 '0'
cout << a;

注意：cout.width(n) 仅对紧随其后的那一次输出生效，每次输出前都需要重新调用。

输出多进制数：

C++ 允许通过流操纵算子直接改变整数的输出进制： * 八进制输出：cout << oct << a; * 十六进制输出：cout << hex << a; * 其余进制（如二进制、三进制等）需要手动编写转换算法实现。

3. 性能优化提示

在数据规模非常大（例如读入或输出量达到 $10^5$ 级别以上）时，C++ 默认的输入输出流由于需要与 C 的标准输入输出保持同步，速度会变得非常慢，极易导致程序运行超时（TLE）。

在 main 函数的开头加上以下语句，可以取消同步并解除 cin 与 cout 的绑定，使流读写速度达到与 scanf 和 printf 相当的水平：

ios::sync_with_stdio(false);
cin.tie(nullptr);

安全警告：调用 ios::sync_with_stdio(false) 之后，禁止在同一个程序中混合使用 C 风格的输入输出（如 scanf / printf）和 C++ 风格的输入输出（如 cin / cout），否则会导致输出顺序错乱。

5.3 课后推荐练习题

通过以下题目，可以练习各种输入输出格式（如保留小数、指定格式对齐、应对大输入量时的效率优化等）：

• 题目编号：1 —— A+B Problem
  • 考点：最基础的输入与输出。可以使用 scanf / printf 或 cin / cout 来完成两数读入和求和输出。
• 题目编号：3 —— 读入一个浮点数，保留 2 位小数
  • 考点：练习控制浮点数输出精度。使用 C 风格的 %.2f 或 C++ 风格的 fixed 与 setprecision(2) 进行格式化输出。
• 题目编号：7 —— 计算圆的面积
  • 考点：需要根据输入的半径计算面积并精确保留四位小数，适合练习精度控制修饰符。
• 题目编号：12 —— 钞票分解
  • 考点：题目对输出格式有严格要求，需要输出固定的拼写与空格，非常适合练习整除、求模以及 printf 格式化字符串的精确排版。
• 题目编号：166 —— 区间和询问
  • 考点：本题的数据规模较大（$N, M \le 100,000$）。如果不进行输入输出优化，使用未经加速的 cin 和 cout 极易超时。适合练习 scanf/printf 或流加速语句。
• 题目编号：228 —— 数字金字塔
  • 考点：需要按照金字塔的形状进行对齐输出，每一行前的空格数和数字间的空格有着严格的排版规律，是练习输出宽度控制的优秀题目。

—— 本文来自火龙信奥（义乌睿码科技）：义乌青少年信息学奥赛与编程教育平台，专注 CSP-J/S、NOIP、GESP 竞赛培训，线上线下融合教学，助力编程升学。网址：hlcoding.com