我一直认为std::vector是“作为数组实现的”,等等等等。今天我去测试了一下,结果似乎不是这样:

以下是一些测试结果:

UseArray completed in 2.619 seconds
UseVector completed in 9.284 seconds
UseVectorPushBack completed in 14.669 seconds
The whole thing completed in 26.591 seconds

这大约要慢3 - 4倍!这并不能证明“向量可能会慢几纳秒”的评论是正确的。

我使用的代码是:

#include <cstdlib>
#include <vector>

#include <iostream>
#include <string>

#include <boost/date_time/posix_time/ptime.hpp>
#include <boost/date_time/microsec_time_clock.hpp>

class TestTimer
{
    public:
        TestTimer(const std::string & name) : name(name),
            start(boost::date_time::microsec_clock<boost::posix_time::ptime>::local_time())
        {
        }

        ~TestTimer()
        {
            using namespace std;
            using namespace boost;

            posix_time::ptime now(date_time::microsec_clock<posix_time::ptime>::local_time());
            posix_time::time_duration d = now - start;

            cout << name << " completed in " << d.total_milliseconds() / 1000.0 <<
                " seconds" << endl;
        }

    private:
        std::string name;
        boost::posix_time::ptime start;
};

struct Pixel
{
    Pixel()
    {
    }

    Pixel(unsigned char r, unsigned char g, unsigned char b) : r(r), g(g), b(b)
    {
    }

    unsigned char r, g, b;
};

void UseVector()
{
    TestTimer t("UseVector");

    for(int i = 0; i < 1000; ++i)
    {
        int dimension = 999;

        std::vector<Pixel> pixels;
        pixels.resize(dimension * dimension);

        for(int i = 0; i < dimension * dimension; ++i)
        {
            pixels[i].r = 255;
            pixels[i].g = 0;
            pixels[i].b = 0;
        }
    }
}

void UseVectorPushBack()
{
    TestTimer t("UseVectorPushBack");

    for(int i = 0; i < 1000; ++i)
    {
        int dimension = 999;

        std::vector<Pixel> pixels;
            pixels.reserve(dimension * dimension);

        for(int i = 0; i < dimension * dimension; ++i)
            pixels.push_back(Pixel(255, 0, 0));
    }
}

void UseArray()
{
    TestTimer t("UseArray");

    for(int i = 0; i < 1000; ++i)
    {
        int dimension = 999;

        Pixel * pixels = (Pixel *)malloc(sizeof(Pixel) * dimension * dimension);

        for(int i = 0 ; i < dimension * dimension; ++i)
        {
            pixels[i].r = 255;
            pixels[i].g = 0;
            pixels[i].b = 0;
        }

        free(pixels);
    }
}

int main()
{
    TestTimer t1("The whole thing");

    UseArray();
    UseVector();
    UseVectorPushBack();

    return 0;
}

我做错了吗?还是我刚刚打破了这个性能神话?

我使用Visual Studio 2005中的发布模式。


在Visual c++中,#define _SECURE_SCL 0将UseVector减少了一半(减少到4秒)。在我看来,这真的是件大事。


当前回答

好问题。我来这里是希望能找到一些简单的方法来加快矢量测试的速度。结果跟我想象的不太一样!

优化有帮助,但这还不够。通过优化,我仍然看到UseArray和UseVector之间的2X性能差异。有趣的是,UseVector明显比没有优化的UseVectorPushBack慢。

# g++ -Wall -Wextra -pedantic -o vector vector.cpp
# ./vector
UseArray completed in 20.68 seconds
UseVector completed in 120.509 seconds
UseVectorPushBack completed in 37.654 seconds
The whole thing completed in 178.845 seconds
# g++ -Wall -Wextra -pedantic -O3 -o vector vector.cpp
# ./vector
UseArray completed in 3.09 seconds
UseVector completed in 6.09 seconds
UseVectorPushBack completed in 9.847 seconds
The whole thing completed in 19.028 seconds

想法1 -使用new[]代替malloc

我尝试在UseArray中将malloc()更改为new[],以便构造对象。从单个字段分配到分配一个Pixel实例。哦,重命名内循环变量为j。

void UseArray()
{
    TestTimer t("UseArray");

    for(int i = 0; i < 1000; ++i)
    {   
        int dimension = 999;

        // Same speed as malloc().
        Pixel * pixels = new Pixel[dimension * dimension];

        for(int j = 0 ; j < dimension * dimension; ++j)
            pixels[j] = Pixel(255, 0, 0);

        delete[] pixels;
    }
}

令人惊讶的是(对我来说),这些变化没有任何不同。甚至没有更改为new[],这将默认构造所有的像素。看起来gcc在使用new[]时可以优化默认构造函数调用,但在使用vector时就不行。

想法#2 -删除重复的操作符[]调用

我还尝试摆脱三重运算符[]查找,并缓存对像素[j]的引用。这实际上降低了UseVector的速度!哦。

for(int j = 0; j < dimension * dimension; ++j)
{
    // Slower than accessing pixels[j] three times.
    Pixel &pixel = pixels[j];
    pixel.r = 255;
    pixel.g = 0;
    pixel.b = 0;
}

# ./vector 
UseArray completed in 3.226 seconds
UseVector completed in 7.54 seconds
UseVectorPushBack completed in 9.859 seconds
The whole thing completed in 20.626 seconds

想法#3 -删除构造函数

如果完全删除构造函数呢?然后,也许gcc可以在创建向量时优化所有对象的结构。如果我们把像素改为:

struct Pixel
{
    unsigned char r, g, b;
};

结果:大约快10%。还是比数组慢。嗯。

# ./vector 
UseArray completed in 3.239 seconds
UseVector completed in 5.567 seconds

想法4 -使用迭代器而不是循环索引

如何使用vector<Pixel>::iterator代替循环索引?

for (std::vector<Pixel>::iterator j = pixels.begin(); j != pixels.end(); ++j)
{
    j->r = 255;
    j->g = 0;
    j->b = 0;
}

结果:

# ./vector 
UseArray completed in 3.264 seconds
UseVector completed in 5.443 seconds

没有什么不同。至少没有变慢。我认为这将具有类似于#2的性能,其中我使用了Pixel&引用。

结论

即使一些聪明的cookie找到了如何使vector循环和数组循环一样快的方法,这也不能说明std::vector的默认行为。编译器足够聪明,可以优化所有c++特性,并使STL容器像原始数组一样快。

底线是,当使用std::vector时,编译器无法优化掉无操作的默认构造函数调用。如果你使用普通的new[],它就能很好地优化它们。但不是std::vector。即使你可以重写你的代码,以消除构造函数调用,在这里的咒语:“编译器比你聪明。STL和普通c一样快,不用担心。”

其他回答

使用以下方法:

g++ -O3 Time.cpp -I <MyBoost> . cfg . / a.o ut UseArray完成用时2.196秒 UseVector在4.412秒内完成 UseVectorPushBack在8.017秒内完成 全程用时14.626秒

数组的速度是向量的两倍。

但在更详细地查看代码后,这是预期的;当你遍历向量两次,只遍历数组一次时。注意:当你调整vector的size()时,你不仅是在分配内存,而且还在遍历vector并调用每个成员的构造函数。

稍微重新排列代码,使vector只初始化每个对象一次:

 std::vector<Pixel>  pixels(dimensions * dimensions, Pixel(255,0,0));

现在再做一次同样的计时:

g++ -O3 Time.cpp -I <MyBoost> . cfg . / a.o ut UseVector在2.216秒内完成

vector现在的性能只比数组差一点点。在我看来,这种差异是微不足道的,可能是由一大堆与测试无关的事情造成的。

我也会考虑到,你没有正确初始化/销毁像素对象在UseArrray()方法的构造函数/析构函数都没有被调用(这可能不是这个简单的类的问题,但任何稍微复杂(即指针或指针成员)将导致问题。

这是一个古老而流行的问题。

在这一点上,许多程序员将使用c++ 11。在c++ 11中,OP的代码对于UseArray或UseVector运行得同样快。

UseVector completed in 3.74482 seconds
UseArray completed in 3.70414 seconds

基本的问题是,当你的像素结构未初始化时,std::vector<T>::resize(size_t, T const&=T())接受一个默认构造的像素并复制它。编译器没有注意到它被要求复制未初始化的数据,所以它实际执行了复制。

在c++ 11中,std::vector<T>::resize有两个重载。第一个是std::vector<T>::resize(size_t),另一个是std::vector<T>::resize(size_t, T const&)。这意味着当调用resize而不带第二个参数时,它只是默认构造,而编译器足够聪明,可以意识到默认构造什么也不做,因此它跳过了缓冲区的传递。

(添加这两个重载是为了处理可移动、可构造和不可复制类型——处理未初始化数据时的性能提升是一个额外的好处)。

push_back解决方案还执行fencepost检查,这降低了它的速度,因此它仍然比malloc版本慢。

现场示例(我还用chrono::high_resolution_clock替换了计时器)。

注意,如果你有一个通常需要初始化的结构,但你想在增加缓冲区后处理它,你可以使用自定义std::vector分配器来做到这一点。如果你想把它移动到一个更正常的std::vector,我相信仔细使用allocator_traits和重写==可能会成功,但我不确定。

使用正确的选项,向量和数组可以生成相同的asm。在这些情况下,它们的速度当然是一样的,因为无论哪种方式都可以得到相同的可执行文件。

公平地说,您不能将c++实现与C实现进行比较,即我所说的malloc版本。Malloc不创建对象——它只分配原始内存。然后不调用构造函数就把内存当作对象,这是拙劣的c++(可能是无效的——我把这个问题留给语言律师吧)。

也就是说,简单地将malloc更改为新的Pixel[维度*维度]并自由删除[]个像素,这与您所拥有的Pixel的简单实现没有太大区别。下面是我的盒子(E6600, 64位)上的结果:

UseArray completed in 0.269 seconds
UseVector completed in 1.665 seconds
UseVectorPushBack completed in 7.309 seconds
The whole thing completed in 9.244 seconds

但随着一个微小的变化,情况发生了变化:

Pixel.h

struct Pixel
{
    Pixel();
    Pixel(unsigned char r, unsigned char g, unsigned char b);

    unsigned char r, g, b;
};

Pixel.cc

#include "Pixel.h"

Pixel::Pixel() {}
Pixel::Pixel(unsigned char r, unsigned char g, unsigned char b) 
  : r(r), g(g), b(b) {}

main.cc

#include "Pixel.h"
[rest of test harness without class Pixel]
[UseArray now uses new/delete not malloc/free]

编译如下:

$ g++ -O3 -c -o Pixel.o Pixel.cc
$ g++ -O3 -c -o main.o main.cc
$ g++ -o main main.o Pixel.o

我们得到了非常不同的结果:

UseArray completed in 2.78 seconds
UseVector completed in 1.651 seconds
UseVectorPushBack completed in 7.826 seconds
The whole thing completed in 12.258 seconds

使用Pixel的非内联构造函数,std::vector现在可以击败原始数组。

通过std::vector和std:allocator进行分配的复杂性似乎太多了,无法像简单的新Pixel[n]那样有效地进行优化。然而,我们可以看到问题仅仅是分配而不是vector访问,通过调整几个测试函数来创建vector/数组,将其移到循环之外:

void UseVector()
{
    TestTimer t("UseVector");

    int dimension = 999;
    std::vector<Pixel> pixels;
    pixels.resize(dimension * dimension);

    for(int i = 0; i < 1000; ++i)
    {
        for(int i = 0; i < dimension * dimension; ++i)
        {
            pixels[i].r = 255;
            pixels[i].g = 0;
            pixels[i].b = 0;
        }
    }
}

and

void UseArray()
{
    TestTimer t("UseArray");

    int dimension = 999;
    Pixel * pixels = new Pixel[dimension * dimension];

    for(int i = 0; i < 1000; ++i)
    {
        for(int i = 0 ; i < dimension * dimension; ++i)
        {
            pixels[i].r = 255;
            pixels[i].g = 0;
            pixels[i].b = 0;
        }
    }
    delete [] pixels;
}

我们现在得到这些结果:

UseArray completed in 0.254 seconds
UseVector completed in 0.249 seconds
UseVectorPushBack completed in 7.298 seconds
The whole thing completed in 7.802 seconds

从这里我们可以了解到std::vector可以与原始数组进行访问,但是如果你需要多次创建和删除vector/数组,在元素的构造函数没有内联的情况下,创建一个复杂的对象将比创建一个简单的数组花费更多的时间。我不认为这很令人惊讶。

尝试禁用检查迭代器并在发布模式下构建。您应该不会看到太大的性能差异。