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2024-11-29 05:00:00

std::vector比普通数组慢很多吗?

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。”

2010-09-08 03:00:38

其他回答

顺便说一下，你在使用vector的类中看到的减速也发生在标准类型中，比如int。这是一个多线程代码:

#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <map>
#include <string>
#include <typeinfo>
#include <vector>
#include <pthread.h>
#include <sstream>
#include <fstream>
using namespace std;

//pthread_mutex_t map_mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

long long num=500000000;
int procs=1;

struct iterate
{
    int id;
    int num;
    void * member;
    iterate(int a, int b, void *c) : id(a), num(b), member(c) {}
};

//fill out viterate and piterate
void * viterate(void * input)
{
    printf("am in viterate\n");
    iterate * info=static_cast<iterate *> (input);
    // reproduce member type
    vector<int> test= *static_cast<vector<int>*> (info->member);
    for (int i=info->id; i<test.size(); i+=info->num)
    {
        //printf("am in viterate loop\n");
        test[i];
    }
    pthread_exit(NULL);
}

void * piterate(void * input)
{
    printf("am in piterate\n");
    iterate * info=static_cast<iterate *> (input);;
    int * test=static_cast<int *> (info->member);
    for (int i=info->id; i<num; i+=info->num) {
        //printf("am in piterate loop\n");
        test[i];
    }
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
    cout<<"producing vector of size "<<num<<endl;
    vector<int> vtest(num);
    cout<<"produced  a vector of size "<<vtest.size()<<endl;
    pthread_t thread[procs];

    iterate** it=new iterate*[procs];
    int ans;
    void *status;

    cout<<"begining to thread through the vector\n";
    for (int i=0; i<procs; i++) {
        it[i]=new iterate(i, procs, (void *) &vtest);
    //  ans=pthread_create(&thread[i],NULL,viterate, (void *) it[i]);
    }
    for (int i=0; i<procs; i++) {
        pthread_join(thread[i], &status);
    }
    cout<<"end of threading through the vector";
    //reuse the iterate structures

    cout<<"producing a pointer with size "<<num<<endl;
    int * pint=new int[num];
    cout<<"produced a pointer with size "<<num<<endl;

    cout<<"begining to thread through the pointer\n";
    for (int i=0; i<procs; i++) {
        it[i]->member=&pint;
        ans=pthread_create(&thread[i], NULL, piterate, (void*) it[i]);
    }
    for (int i=0; i<procs; i++) {
        pthread_join(thread[i], &status);
    }
    cout<<"end of threading through the pointer\n";

    //delete structure array for iterate
    for (int i=0; i<procs; i++) {
        delete it[i];
    }
    delete [] it;

    //delete pointer
    delete [] pint;

    cout<<"end of the program"<<endl;
    return 0;
}

代码中的行为表明vector的实例化是代码中最长的部分。一旦你通过瓶颈。其余的代码运行得非常快。无论在多少个线程上运行，这都是正确的。

顺便说一下，忽略那些疯狂的包含数。我一直在使用这段代码来测试一个项目的东西，所以包含的数量不断增长。

2014-03-09 22:56:30

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。

2010-09-08 02:45:46

Martin York的回答让我很困扰，因为他似乎试图掩盖初始化问题。但他将冗余的默认构造确定为性能问题的根源是正确的。

[编辑:Martin的回答不再建议更改默认构造函数。]

对于眼前的问题，你当然可以调用2参数版本的向量<Pixel> ctor:

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

如果你想用一个常数值初始化，这是一种常见的情况。但更普遍的问题是:如何有效地初始化比常数值更复杂的东西?

为此，您可以使用back_insert_iterator，这是一个迭代器适配器。这里有一个int类型的向量的例子，尽管一般的思想也适用于像素:

#include <iterator>
// Simple functor return a list of squares: 1, 4, 9, 16...
struct squares {
    squares() { i = 0; }
    int operator()() const { ++i; return i * i; }

private:
    int i;
};

...

std::vector<int> v;
v.reserve(someSize);     // To make insertions efficient
std::generate_n(std::back_inserter(v), someSize, squares());

或者，您可以使用copy()或transform()来代替generate_n()。

缺点是，构造初始值的逻辑需要移动到一个单独的类中，这比将其放在原位更不方便(尽管c++ 1x中的lambdas使这更好)。此外，我希望这仍然不会像基于malloc()的非stl版本那样快，但我希望它会接近，因为它只对每个元素进行一次构造。

2010-09-08 04:43:24

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。”

2010-09-08 03:00:38

下面是vector中的push_back方法的工作原理:

vector在初始化时分配X个空间。 如下所述，它检查当前底层数组中是否有空间用于该项。 它复制push_back调用中的项。

调用push_back X项后:

vector将kX的空间重新分配到第二个数组中。 它将第一个数组的项复制到第二个数组。 丢弃第一个数组。 现在使用第二个数组作为存储，直到它达到kX项。

重复。如果你没有预留空间，它肯定会变慢。更重要的是，如果复制项目的成本很高，那么像这样的“push_back”会让你生吞活剥。

至于向量和数组的区别，我同意其他人的观点。在发布版中运行，打开优化，并放入更多的标志，这样微软的友好人员就不会为你而烦恼了。

还有一件事，如果你不需要调整大小，使用Boost.Array。

2010-09-08 02:53:53

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