A1: 競技程式設計師的工具箱：Python 環境與高速 I/O

單元目標

• 理解標準輸入/輸出的概念
• 掌握 Python 高速 I/O 的最佳實踐
• 能夠處理各種格式的輸入資料
• 建立性能優先的編程思維

為什麼 I/O 是第一課？

在競技程式設計的領域，程式的總執行時間由「I/O 時間」與「運算時間」共同構成。一個常見的誤區是，初學者往往只關注運算邏輯的優化，而忽略了 I/O 可能成為效能瓶頸。

在 APCS 這類輸入資料量可能龐大的檢測中，緩慢的 I/O 會導致即使擁有最優演算法的程式，也因「執行超時」（Time Limit Exceeded, TLE）而無法通過。

效能陷阱

使用 input() 讀取大量資料時，可能會因為 I/O 緩慢而導致 TLE，即使你的演算法是正確且高效的！

這個現實要求我們必須顛覆傳統的教學順序。高速 I/O 並非「進階主題」，而是學習者從零開始就必須掌握的第一課。將高效能的習慣融入基礎，是建造鋼鐵地基的第一步。

概念基礎

標準輸入與標準輸出

**標準輸入（stdin）與標準輸出（stdout）**是程式與評測系統（Judge）溝通的唯一橋樑：

• 所有問題的輸入資料都從 stdin 讀取
• 所有答案都必須輸出至 stdout

在 Python 中：

• input() 和 sys.stdin 用於讀取標準輸入
• print() 和 sys.stdout.write() 用於寫入標準輸出

I/O 效能比較

讓我們先來看一個效能測試：

# 測試：讀取 100,000 行整數

# 方法一：使用 input()
import time
start = time.time()
for _ in range(100000):
    n = int(input())
print(f"input() 耗時: {time.time() - start:.3f} 秒")

# 方法二：使用 sys.stdin.readline()
import sys
start = time.time()
for _ in range(100000):
    n = int(sys.stdin.readline())
print(f"sys.stdin.readline() 耗時: {time.time() - start:.3f} 秒")

結果：sys.stdin.readline() 通常快 2-5 倍！

Python 實踐

慢速路徑（應避免）

input() 函式是 Python 內建的標準輸入方式：

# 讀取單一整數
n = int(input())

# 讀取一行字串
s = input()

# 讀取一行由空白分隔的多個整數
arr = list(map(int, input().split()))

問題：input() 簡單直觀，適合小型互動式腳本。然而，其內部處理機制相對複雜，對於大量資料的讀取效能不彰，是競技程式中的效能陷阱。

專業路徑（標準作法）⭐

為了達到最高 I/O 效率，應使用 sys 模組。sys.stdin.readline() 直接從輸入緩衝區讀取一行資料，速度遠快於 input()。

基本輸入模板

import sys

# 讀取單一整數
n = int(sys.stdin.readline())

# 讀取單一浮點數
x = float(sys.stdin.readline())

# 讀取一行字串（會保留換行符號）
s = sys.stdin.readline()

# 讀取一行字串並移除前後空白與換行
s = sys.stdin.readline().strip()

# 讀取一行由空白分隔的多個整數
arr = list(map(int, sys.stdin.readline().split()))

# 讀取一行由空白分隔的多個字串
words = sys.stdin.readline().split()

詳細解說

import sys

# 讀取單一整數
# sys.stdin.readline() 會讀取一整行，包含換行符號 '\n'
# 因此需要 int() 轉換，int() 會自動忽略前後空白與換行
n = int(sys.stdin.readline())

# 讀取一行由空白分隔的多個整數
# .strip() 用於移除行末的換行符號
# .split() 將字串按空白分割成字串列表
# map(int, ...) 將每個字串元素轉換為整數
# list(...) 將 map 物件轉換為列表，方便後續操作
arr = list(map(int, sys.stdin.readline().strip().split()))

常見輸入格式處理

格式 1：第一行是 N，接下來 N 行資料

import sys

n = int(sys.stdin.readline())
for _ in range(n):
    # 讀取每一行並處理
    line = sys.stdin.readline().strip()
    # 或讀取整數
    num = int(sys.stdin.readline())

格式 2：讀取多組測資直到 EOF

import sys

for line in sys.stdin:
    # 處理每一行
    data = line.strip()
    # 或轉換為整數列表
    nums = list(map(int, line.split()))

格式 3：讀取矩陣（二維陣列）

import sys

# 讀取 n x m 的矩陣
n, m = map(int, sys.stdin.readline().split())
matrix = []
for _ in range(n):
    row = list(map(int, sys.stdin.readline().split()))
    matrix.append(row)

高效輸出

對於輸出，sys.stdout.write() 是 print() 的高速對應：

import sys

# 使用 print()（通常已經夠快）
print(result)

# 使用 sys.stdout.write()（最快）
# 注意：需要手動轉換為字串並添加換行符號
sys.stdout.write(str(result) + '\n')

# 批量輸出（效能更好）
results = 
# ... 計算結果 ...
print('\n'.join(map(str, results)))

實務建議

在大多數 APCS 題目中，print() 的速度已經足夠。只有在輸出量極大時，才需要考慮使用 sys.stdout.write()。

重點是輸入：一定要使用 sys.stdin.readline()！

完整範例程式

範例 1：讀取 N 個整數並輸出總和

import sys

# 讀取 N
n = int(sys.stdin.readline())

# 讀取 N 個整數
numbers = list(map(int, sys.stdin.readline().split()))

# 計算總和
total = sum(numbers)

# 輸出結果
print(total)

輸入範例：

5
1 2 3 4 5

輸出：

15

範例 2：讀取多組測資

import sys

# 讀取所有行直到 EOF
for line in sys.stdin:
    # 將這一行轉換為整數列表
    numbers = list(map(int, line.split()))
    
    # 計算總和
    total = sum(numbers)
    
    # 輸出結果
    print(total)

輸入範例：

1 2 3
4 5
6 7 8 9

輸出：

6
9
30

APCS 策略與應用

此技能直接對應 APCS 評量架構中的「輸入與輸出」及「算術運算」項目。

實際題目應用

練習考古題如：

• i399 (數字遊戲)
• o076 (特技表演)

這些題目的核心不在於複雜的邏輯，而在於：

1. 熟練運用 I/O 模板
2. 正確地接收輸入
3. 進行基本運算
4. 格式化輸出

📝 Quiz：測試你的理解

問題 1

在處理 APCS 大量輸入時，下列哪種 Python 寫法效率最高？

A. data = input()
B. import sys; data = sys.stdin.readline()
C. 兩種寫法效率沒有差別

點擊查看解答

答案：B

解析：
input() 函式為了兼容互動式情境，內部處理較為複雜，速度較慢。而 sys.stdin.readline() 直接從標準輸入緩衝區讀取，速度快上許多，是競技程式設計的標準作法，能有效避免因 I/O 緩慢導致的「執行超時 (TLE)」。

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問題 2

以下程式碼的功能是什麼？

arr = list(map(int, sys.stdin.readline().split()))

A. 讀取一行字串
B. 讀取一個整數
C. 讀取一行由空白分隔的多個整數，存入列表
D. 讀取多行整數

點擊查看解答

答案：C

解析：

• sys.stdin.readline() 讀取一行
• .split() 將字串按空白分割成列表
• map(int, ...) 將每個字串轉換為整數
• list(...) 將 map 物件轉換為列表

這是處理「一行多個整數」的標準寫法，非常常用！

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問題 3

為什麼需要使用 .strip() 或 .split()？

A. 為了讓程式碼看起來更專業
B. 為了移除字串中的換行符號和空白
C. 為了加快程式執行速度
D. 這不是必需的

點擊查看解答

答案：B

解析：
sys.stdin.readline() 讀取的字串會包含行末的換行符號 \n。使用 .strip() 可以移除前後的空白字元（包括換行、空格、Tab 等），確保資料處理的正確性。

.split() 則是用於將字串分割成多個部分，同時也會自動移除空白。

🔗 推薦習題

基礎練習

i399: 數字遊戲

o076: 特技表演

練習重點

1. 正確讀取不同格式的輸入
2. 使用 sys.stdin.readline() 而非 input()
3. 處理基本的算術運算
4. 格式化輸出

學習建議

完成這些題目後，確保你能夠：

• [ ] 不看範例，獨立寫出 I/O 模板
• [ ] 在 1 分鐘內寫出讀取「N 個整數」的程式碼
• [ ] 理解何時使用 .strip() 和 .split()

📚 參考資料

• Fast I/O for Competitive Programming in Python - GeeksforGeeks
• Python Input Methods for Competitive Programming

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下一步

掌握了高速 I/O 後，我們將進入邏輯控制的核心：

前往 A2：條件判斷與迴圈 →

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