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:heavy_check_mark: Fast I/O

components/fast_io.hpp · GitHub で見る

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#include "lib/components/fast_io.hpp"
FastInput in;
FastOutput out;
int n;
in.read(n);
out.println(n);
操作 内容・返り値 計算量
FastInput(file = stdin) / FastInput(s) FILE*／string_view から入力を準備 \(O(1)\)
in.read(x) 整数・文字列・対応型を読み、成功時に true 読み進めた文字数に比例
in.token() 次の空白区切りトークンの string_view。EOF なら空 読み進めた文字数に比例
FastOutput(file = stdout) 出力先を指定 \(O(1)\)
out.write(x) 文字・文字列・整数・対応型を区切りなしで出力 出力文字数に比例
out.println(x) 値に続けて改行を出力 出力文字数に比例
out.flush() バッファを書き出し、成功時に true。破棄時にも呼ばれる バッファ内の文字数に比例

FastInput(FILE* = stdin)・FastOutput(FILE* = stdout) は標準の整数型・文字列に対応します。read(x) は EOF で false を返します。write(x) は値だけ、println(x) は末尾に改行も出力します。write(' ') などで区切りを入れてください。出力は破棄時または flush() で書き出します。

出力は __int128_t・__uint128_t にも対応します。

独自の型は string_view から構築できれば入力できます。出力には decimal_capacity() と to_chars(char*) を用意します。Boost の多倍長整数は演算結果を整数型の変数に受け、out.write(x.str()) で出力できます。

token() は空白区切りの string_view を返し、次の読み込みまで有効です。FastInput(string_view) は文字列から読みます。入力元の寿命を保ち、同じ FILE* でほかの入力方法と混用しないでください。通常のファイルは mmap、パイプなどは fread を使います。

32 bit の符号なし整数は、十分な入力が残る場合に 8 桁をまとめて解析します。範囲と区切りを確認し、バッファ境界やほかの形式は通常の解析へ戻します。出力では 4 桁の表を使います。

多数の非負整数を読む場合は、一括入力も使えます。整数列や、始点・終点・重みのような複数項目の組をまとめて処理します。

処理する文字数を \(n\)、最大トークン長を \(m\) として時間は \(O(n)\)、バッファ空間は \(O(m)\) です。mmap では入力ファイル全体を仮想アドレス空間にマップします。

検証コード

コード

#ifndef FAST_IO_HPP
#define FAST_IO_HPP

#include <algorithm>
#include <array>
#include <bit>
#include <cassert>
#include <charconv>
#include <cstddef>
#include <cstdint>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <memory>
#include <stdexcept>
#include <string>
#include <string_view>
#include <type_traits>
#if defined(__unix__) || defined(__APPLE__)
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#endif

namespace fast_io_detail { struct BulkInput; struct BulkOutput; }

class FastInput {
	friend struct fast_io_detail::BulkInput;
	static constexpr std::size_t capacity = 1 << 16;
	FILE *file = nullptr;
	std::unique_ptr<char[]> buffer;
	const char *current = "", *end = current;
	std::string scratch;
	void *mapping = nullptr;
	std::size_t mapped_size = 0;
	bool refill() {
		if (!file) return false;
		std::size_t n = std::fread(buffer.get(), 1, capacity, file);
		current = buffer.get();
		end = current + n;
		return n;
	}
	static const char *scan(const char *p, const char *end) {
		while (end - p >= 8) {
			std::uint64_t x;
			std::memcpy(&x, p, 8);
			if ((x - 0x2121212121212121ULL) & ~x & 0x8080808080808080ULL) break;
			p += 8;
		}
		while (p != end && static_cast<unsigned char>(*p) > ' ') ++p;
		return p;
	}

public:
	explicit FastInput(FILE *input = stdin) {
#if defined(__unix__) || defined(__APPLE__)
		struct stat status;
		int fd = fileno(input);
		auto offset = ftello(input);
		if (fd >= 0 && offset >= 0 && !fstat(fd, &status) && S_ISREG(status.st_mode) && status.st_size > offset) {
			mapped_size = status.st_size;
			mapping = mmap(nullptr, mapped_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
			if (mapping != MAP_FAILED) {
				current = static_cast<const char *>(mapping) + offset;
				end = static_cast<const char *>(mapping) + mapped_size;
				return;
			}
			mapping = nullptr;
		}
#endif
		file = input;
		buffer = std::make_unique_for_overwrite<char[]>(capacity);
	}
	explicit FastInput(std::string_view input) : current(input.empty() ? "" : input.data()), end(current + input.size()) {}
	FastInput(const FastInput &) = delete;
	FastInput &operator=(const FastInput &) = delete;
	~FastInput() {
#if defined(__unix__) || defined(__APPLE__)
		if (mapping) munmap(mapping, mapped_size);
#endif
	}
	std::string_view token() {
		while (true) {
			while (current != end && static_cast<unsigned char>(*current) <= ' ') ++current;
			if (current != end) break;
			if (!refill()) return {};
		}
		const char *begin = current;
		current = scan(current, end);
		if (current != end || !file) return {begin, std::size_t(current - begin)};
		scratch.assign(begin, end);
		while (refill()) {
			current = scan(current, end);
			scratch.append(buffer.get(), std::size_t(current - buffer.get()));
			if (current != end) break;
		}
		return scratch;
	}
	template <class T>
	bool read(T &value) {
		if constexpr (std::is_integral_v<T> && !std::is_same_v<T, bool>) {
			while (true) {
				while (current != end && static_cast<unsigned char>(*current) <= ' ') ++current;
				if (current != end) break;
				if (!refill()) return false;
			}
			if constexpr (std::is_unsigned_v<T> && sizeof(T) == 4 && std::endian::native == std::endian::little) {
				if (end - current >= 11) {
					std::uint64_t x;
					std::memcpy(&x, current, 8);
					if (!(((x + 0x4646464646464646ULL) | (x - 0x3030303030303030ULL)) & 0x8080808080808080ULL)) {
						x &= 0x0f0f0f0f0f0f0f0fULL;
						x = (x * 10 + (x >> 8)) & 0x00ff00ff00ff00ffULL;
						x = (x * 100 + (x >> 16)) & 0x0000ffff0000ffffULL;
						std::uint64_t v = std::uint32_t(x * 10000 + (x >> 32));
						int n = 8;
						for (; n < 10 && static_cast<unsigned char>(current[n]) - unsigned('0') < 10; ++n)
							v = v * 10 + (current[n] - '0');
						if (static_cast<unsigned char>(current[n]) <= ' ' && v <= 0xffffffffULL) {
							current += n;
							value = T(v);
							return true;
						}
					}
				}
			}
			T parsed{};
			auto result = std::from_chars(current, end, parsed);
			if (result.ec == std::errc{} && (result.ptr != end ? static_cast<unsigned char>(*result.ptr) <= ' ' : !file)) {
				current = result.ptr;
				value = parsed;
				return true;
			}
		}
		auto s = token();
		if (s.empty()) return false;
		if constexpr (std::is_same_v<T, bool>) {
			assert(s == "0" || s == "1");
			value = s[0] == '1';
		} else if constexpr (std::is_integral_v<T>) {
			auto result = std::from_chars(s.data(), s.data() + s.size(), value);
			assert(result.ec == std::errc{} && result.ptr == s.data() + s.size());
			(void)result;
		} else value = T(s);
		return true;
	}
};

class FastOutput {
	friend struct fast_io_detail::BulkOutput;
	inline static constexpr auto quads = [] {
		std::array<std::array<char, 4>, 10000> table{};
		for (int i = 0; i < 10000; ++i)
			table[i] = {char('0' + i / 1000), char('0' + i / 100 % 10), char('0' + i / 10 % 10), char('0' + i % 10)};
		return table;
	}();
	FILE *file;
	std::unique_ptr<char[]> buffer = std::make_unique_for_overwrite<char[]>(1 << 16);
	std::size_t capacity = 1 << 16, length = 0;
	char *reserve(std::size_t n) {
		if (n > capacity - length) {
			if (!flush()) throw std::runtime_error("output failed");
			if (n > capacity) {
				std::size_t next = std::max(n, 2 * capacity);
				buffer = std::make_unique_for_overwrite<char[]>(next);
				capacity = next;
			}
		}
		return buffer.get() + length;
	}

public:
	explicit FastOutput(FILE *output = stdout) : file(output) {}
	FastOutput(const FastOutput &) = delete;
	FastOutput &operator=(const FastOutput &) = delete;
	~FastOutput() { flush(); }
	bool flush() {
		std::size_t offset = 0;
		while (offset < length) {
			auto n = std::fwrite(buffer.get() + offset, 1, length - offset, file);
			if (!n) {
				std::memmove(buffer.get(), buffer.get() + offset, length - offset);
				length -= offset;
				return false;
			}
			offset += n;
		}
		length = 0;
		return std::fflush(file) == 0;
	}
	void write(char c) { *reserve(1) = c; ++length; }
	void write(__uint128_t value) {
		char digits[40];
		char *end = digits + sizeof(digits), *begin = end;
		do { *--begin = char('0' + value % 10); value /= 10; } while (value);
		write(std::string_view(begin, end - begin));
	}
	void write(__int128_t value) {
		__uint128_t magnitude = __uint128_t(value);
		if (value < 0) write('-'), magnitude = 0 - magnitude;
		write(magnitude);
	}
	void write(std::string_view s) {
		char *out = reserve(s.size());
		if (!s.empty()) std::memcpy(out, s.data(), s.size());
		length += s.size();
	}
	template <class T> requires std::is_integral_v<T>
	void write(T value) {
		char *out = reserve(32);
		if constexpr (std::is_same_v<T, bool>) *out = '0' + value, ++length;
		else if constexpr (std::is_unsigned_v<T> && sizeof(T) == 4) {
			char *p = out;
			if (value >= 100000000) {
				auto high = value / 100000000, low = value % 100000000;
				p = std::to_chars(p, p + 2, high).ptr;
				std::memcpy(p, quads[low / 10000].data(), 4);
				std::memcpy(p + 4, quads[low % 10000].data(), 4);
				p += 8;
			} else if (value >= 10000) {
				p = std::to_chars(p, p + 4, value / 10000).ptr;
				std::memcpy(p, quads[value % 10000].data(), 4);
				p += 4;
			} else p = std::to_chars(p, p + 4, value).ptr;
			length += p - out;
		} else length += std::to_chars(out, out + 32, value).ptr - out;
	}
	template <class T> requires requires(const T &value, char *out) { value.decimal_capacity(); value.to_chars(out); }
	void write(const T &value) {
		char *out = reserve(value.decimal_capacity());
		length += value.to_chars(out) - out;
	}
	template <class T>
	void println(const T &value) { write(value); write('\n'); }
};

#endif
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