muduo网络库学习笔记(15)：关于使用stdio和iostream的讨论

C/C++程序中需要执行输入/输出时，我们一般会用到stdio或iostream。stdio指C语言的scanf/printf系列格式化输入输出函数，iostream指C++语言的cin/cout输入输出对象等。

但是，在真实的项目中很少用到iostream（muduo网络库也不例外），本篇就对二者的优、缺点进行一个小结（主要考虑x86 Linux平台，不考虑跨平台的可移植性，但是要考虑32-bit和64-bit的兼容性）。

stdio

（一）缺点：对编程初学者不友好
我们在C语言入门时、在输出第一行“Hello World”代码时，用到了标准输入输出stdio，而在学习C++语言的过程中，我们又接触到了iostream库的输入输出机制。相对于iostream给初学者提供了一个方便的命令行输入输出实验环境，stdio对于初学者来说则繁琐很多，看下面这个示例：

#include 

int main()
{
  int i;
  short s;
  float f;
  double d;
  char name[80];
  scanf("%d %hd %f %lf %s", &i, &s, &f, &d, name);
  printf("%d %d %f %f %s\n", i, s, f, d, name);
  return 0;
}

可以看到：
1.输入和输出用的格式字符串不一样。输入short要用%hd，输出用%d；输入double要用%lf，输出用%f。
2.输入的参数不统一。对于i，s，f，d等变量，在传入scanf()的时候要取地址（&）；而对于字符数组name，则不用取地址。
3.程序有缓冲区溢出的危险。上面的例子在读入name的时候没有指定大小，这是用C语言编程的安全漏洞的主要来源。

向刚开始学编程的初学者清楚解释这几条背后的原因可谓是相当困难（涉及传递函数不定参数时的类型转换、函数调用栈的内存布局、指针的意义、字符数组退化为字符指针等等）。

iostream则对初学者很友好，用iostream重写与前面同样功能的代码，如下：

#include 
#include 

using namespace std;

int main()
{
  int i;
  short s;
  float f;
  double d;
  string name;
  cin >> i >> s >> f >> d >> name;
  cout << i << " " << s << " " << f << " " << d << " " << name << endl;
  return 0;
}

这段代码对于初学者来说更易懂，而且没有安全性方面的问题。

（二）缺点：安全性问题
输出方面的安全性问题，可用snprintf()等能够指定输出缓冲区大小的函数来解决；但输入方面似乎没有太大的进展，例如需要从文件或标准输入读入一行不确定长度的字符串，C语言标准库函数gets()、fgets()和getline()都不能完美地完成这个任务，还要靠程序员自己动手（一种读取不定长字符串输入的实现：https://segmentfault.com/a/1190000000360944）。

另外，参数类型繁多导致的类型安全问题也不容忽视。如果printf()的整数参数类型是int、long等内置类型，那么printf()的格式化字符串很容易写，但是如果参数是系统文件里typedef的类型呢，例如clock_t、in_addr_t、pid_t等？

这些问题在C++里都不存在，在这方面iostream是个进步。

（三）缺点：不可扩展
举例来说：

#include 

struct Date
{
  int year, month, day;
};

int main()
{
  Date date;
  printf("%D\n", &date);  // 错误
  return 0；
}

即C stdio无法支持自定义的类型，iostream则可通过函数重载来实现可扩展性，如下：

#include 

class Date
{
 public:
  Date(int year, int month, int day) : year_(year), month_(month), day_(day)
  {
  }

  void writeTo(std::ostream& os)const
  {
    os << year_ << '-' << month_ << '-' << day_;
  }

 private:
  int year_, month_, day_;
};

std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Date& date)
{
  date.writeTo(os);
  return os;
}

int main()
{
  Date date(2017, 5, 28);
  std::cout << date << std::endl;
  return 0;
}

（四）优点：通用性广
在C语言之外，有其他很多语言也支持printf()风格的格式化。学会 printf() 的格式化方法，这个知识还可以用到其他语言中。但是 C++ iostream 只此一家别无分店，反正都是格式化输出，stdio 的投资回报率更高。

所以，我们不必深究 iostream 的格式化方法，只需要用好它最基本的类型安全输出即可。在真的需要格式化的场合，可以考虑 snprintf() 打印到栈上缓冲，再用 ostream 输出。

（五）优点：外部可配置性强
比方说，我想用一个外部的配置文件来定义日期的格式。C stdio很好办，把格式字符串”%d-%02d-%02d”保存到配置里就行。但是iostream呢？它的格式是写死在代码里的，灵活性大打折扣。

iostream

通过以上的讨论，我们可以知道iostream相对于stdio具有类型安全、类型可扩展等优点。但是深入一点，就会发现iostream在使用和设计方面的不可避免的缺点，“瑜不掩瑕”。以下是iostream在使用方面的一些缺点：
（一）输入方面，istream不适合输入带格式的数据，因为“纠错”能力不强。

（二）输出方面，格式化输出很繁琐。举一个例子来说明，以“2017-05-28”的格式来输出前面定义的Date class：

// 用iostream
void writeTo(std::ostream& os)const
{
  os << year_ << '-'
     << std::setw(2) << std::setfill('0') << month_ << '-'
     << std::setw(2) << std::setfill('0') << day_;
}

// 用stdio
void writeTo(std::ostream& os)const
{
  char buf[32];
  snprintf(buf, sizeof buf, "%d-%02d-%02d", year_, month_, day_);
  os << buf;
}

正如前面的第（四）点所言。

（三）stream的状态易受影响。例如，我们想输出一个16进制的数字x，那么可以用 hex 操控符，但是这会改变 ostream 的状态：

// 这段代码会将数字123也以16进制的方式输出，这恐怕不是我们想要的
int x = 666;
cout << hex << showbase << x << endl;  // forget to reset state
cout << 123 << endl;

再举一个例子，setprecision() 也会造成持续影响：

double d = 123.45;
printf("%8.3f\n", d);  // 输出：123.450
cout << d << endl;  // 输出：123.45
cout << setw(8) << fixed << setprecision(3) << d << endl;  // 输出：123.450
cout << d << endl;  // 输出：123.450

可见代码中的setprecision()影响了后续输出的精度。注意：setw()不会造成影响，它只对下一个输出有效。

这说明，如果使用manipulator来控制格式，需要时刻小心防止影响了后续代码。而使用C stdio就没有这个问题，它是“上下文无关的”。

（四）线程安全方面。stdio的函数是线程安全的，而且 C 语言还提供了flockfile(3)/funlockfile(3)之类的函数来明确控制 FILE* 的加锁与解锁。

iostream 在线程安全方面没有保证，就算单个 operator<< 是线程安全的，也不能保证原子性。因为 cout << a << b; 是两次函数调用，相当于 cout.operator<<(a).operator<<(b)。两次调用中间可能会被打断进行上下文切换，造成输出内容不连续，插入了其他线程打印的字符。

而 fprintf(stdout, “%s %d”, a, b); 是一次函数调用，而且是线程安全的，打印的内容不会受其他线程影响。

因此，iostream并不适合在多线程程序中做logging。

（五）性能方面。iostream在某些场合比 stdio快，在某些场合比stdio慢，对于性能要求较高的场合，我们应该自己实现字符串转换。（tips：在线 ACM/ICPC 判题网站上，如果一个简单的题目发生超时错误，那么把其中iostream的输入输出换成stdio，有时就能过关）

因此，iostream在实际项目中的应用就大为受限了。

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参考资料：
C++ 工程实践(7)：iostream 的用途与局限（博文对iostream的局限做了更全面、深层次的剖析，值得一看）
http://www.cnblogs.com/Solstice/archive/2011/07/17/2108715.html