Code
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

一个更好的基准测试(我认为…)，编译器由于优化可以改变代码，因为分配的向量/数组的结果不会在任何地方使用。 结果:

$ g++ test.cpp -o test -O3 -march=native
$ ./test 
UseArray inner completed in 0.652 seconds
UseArray completed in 0.773 seconds
UseVector inner completed in 0.638 seconds
UseVector completed in 0.757 seconds
UseVectorPushBack inner completed in 6.732 seconds
UseVectorPush completed in 6.856 seconds
The whole thing completed in 8.387 seconds

编译器:

gcc version 6.2.0 20161019 (Debian 6.2.0-9)

CPU:

model name  : Intel(R) Core(TM) i7-3630QM CPU @ 2.40GHz

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(std::vector<std::vector<Pixel> >& results)
{
    TestTimer t("UseVector inner");

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

        std::vector<Pixel>& pixels = results.at(i);
        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(std::vector<std::vector<Pixel> >& results)
{
    TestTimer t("UseVectorPushBack inner");

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

        std::vector<Pixel>& pixels = results.at(i);
            pixels.reserve(dimension * dimension);

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

void UseArray(Pixel** results)
{
    TestTimer t("UseArray inner");

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

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

        results[i] = pixels;

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

        // free(pixels);
    }
}

void UseArray()
{
    TestTimer t("UseArray");
    Pixel** array = (Pixel**)malloc(sizeof(Pixel*)* 1000);
    UseArray(array);
    for(int i=0;i<1000;++i)
        free(array[i]);
    free(array);
}

void UseVector()
{
    TestTimer t("UseVector");
    {
        std::vector<std::vector<Pixel> > vector(1000, std::vector<Pixel>());
        UseVector(vector);
    }
}

void UseVectorPushBack()
{
    TestTimer t("UseVectorPush");
    {
        std::vector<std::vector<Pixel> > vector(1000, std::vector<Pixel>());
        UseVectorPushBack(vector);
    }
}


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

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

    return 0;
}
2016-10-27 20:07:20

其他回答

根据我的经验，有时候，只是有时候，vector<int>可能比int[]慢很多倍。需要记住的一点是，向量的向量与int[][]非常不同。因为元素在内存中可能不是连续的。这意味着你可以在主向量中调整不同向量的大小，但CPU可能无法像int[][]那样缓存元素。

2020-03-25 08:48:28

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

一个更好的基准测试(我认为…)，编译器由于优化可以改变代码，因为分配的向量/数组的结果不会在任何地方使用。 结果:

$ g++ test.cpp -o test -O3 -march=native
$ ./test 
UseArray inner completed in 0.652 seconds
UseArray completed in 0.773 seconds
UseVector inner completed in 0.638 seconds
UseVector completed in 0.757 seconds
UseVectorPushBack inner completed in 6.732 seconds
UseVectorPush completed in 6.856 seconds
The whole thing completed in 8.387 seconds

编译器:

gcc version 6.2.0 20161019 (Debian 6.2.0-9)

CPU:

model name  : Intel(R) Core(TM) i7-3630QM CPU @ 2.40GHz

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(std::vector<std::vector<Pixel> >& results)
{
    TestTimer t("UseVector inner");

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

        std::vector<Pixel>& pixels = results.at(i);
        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(std::vector<std::vector<Pixel> >& results)
{
    TestTimer t("UseVectorPushBack inner");

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

        std::vector<Pixel>& pixels = results.at(i);
            pixels.reserve(dimension * dimension);

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

void UseArray(Pixel** results)
{
    TestTimer t("UseArray inner");

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

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

        results[i] = pixels;

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

        // free(pixels);
    }
}

void UseArray()
{
    TestTimer t("UseArray");
    Pixel** array = (Pixel**)malloc(sizeof(Pixel*)* 1000);
    UseArray(array);
    for(int i=0;i<1000;++i)
        free(array[i]);
    free(array);
}

void UseVector()
{
    TestTimer t("UseVector");
    {
        std::vector<std::vector<Pixel> > vector(1000, std::vector<Pixel>());
        UseVector(vector);
    }
}

void UseVectorPushBack()
{
    TestTimer t("UseVectorPush");
    {
        std::vector<std::vector<Pixel> > vector(1000, std::vector<Pixel>());
        UseVectorPushBack(vector);
    }
}


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

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

    return 0;
}
2016-10-27 20:07:20

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。

2014-07-17 14:25:31

当我第一次看您的代码时，这很难说是一个公平的比较;我还以为你不是在比较苹果和苹果。所以我想，让构造函数和析构函数在所有测试中都被调用;然后比较。

const size_t dimension = 1000;

void UseArray() {
    TestTimer t("UseArray");
    for(size_t j = 0; j < dimension; ++j) {
        Pixel* pixels = new Pixel[dimension * dimension];
        for(size_t i = 0 ; i < dimension * dimension; ++i) {
            pixels[i].r = 255;
            pixels[i].g = 0;
            pixels[i].b = (unsigned char) (i % 255);
        }
        delete[] pixels;
    }
}

void UseVector() {
    TestTimer t("UseVector");
    for(size_t j = 0; j < dimension; ++j) {
        std::vector<Pixel> pixels(dimension * dimension);
        for(size_t i = 0; i < dimension * dimension; ++i) {
            pixels[i].r = 255;
            pixels[i].g = 0;
            pixels[i].b = (unsigned char) (i % 255);
        }
    }
}

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

    UseArray();
    UseVector();

    return 0;
}

我的想法是，在这样的设置下，它们应该是完全相同的。事实证明，我错了。

UseArray completed in 3.06 seconds
UseVector completed in 4.087 seconds
The whole thing completed in 10.14 seconds

那么为什么会出现30%的性能损失呢?STL的所有内容都在头文件中，因此编译器应该能够理解所需的所有内容。

我的想法是，它是在循环如何初始化默认构造函数的所有值。所以我做了一个测试:

class Tester {
public:
    static int count;
    static int count2;
    Tester() { count++; }
    Tester(const Tester&) { count2++; }
};
int Tester::count = 0;
int Tester::count2 = 0;

int main() {
    std::vector<Tester> myvec(300);
    printf("Default Constructed: %i\nCopy Constructed: %i\n", Tester::count, Tester::count2);

    return 0;
}

结果如我所料:

Default Constructed: 1
Copy Constructed: 300

这显然是减速的根源，因为vector使用复制构造函数从默认构造的对象初始化元素。

这意味着，以下伪操作顺序发生在向量的构造过程中:

Pixel pixel;
for (auto i = 0; i < N; ++i) vector[i] = pixel;

由于编译器创建了隐式复制构造函数，扩展为:

Pixel pixel;
for (auto i = 0; i < N; ++i) {
    vector[i].r = pixel.r;
    vector[i].g = pixel.g;
    vector[i].b = pixel.b;
}

所以默认像素保持未初始化，而其余的初始化使用默认像素的未初始化值。

与New[]/Delete[]相比:

int main() {
    Tester* myvec = new Tester[300];

    printf("Default Constructed: %i\nCopy Constructed:%i\n", Tester::count, Tester::count2);

    delete[] myvec;

    return 0;
}

Default Constructed: 300
Copy Constructed: 0

它们都保留了未初始化的值，并且没有对序列进行两次迭代。

有了这些信息，我们如何进行测试呢?让我们试着重写隐式复制构造函数。

Pixel(const Pixel&) {}

结果呢?

UseArray completed in 2.617 seconds
UseVector completed in 2.682 seconds
The whole thing completed in 5.301 seconds

总而言之，如果你经常制作数百个向量:重新考虑你的算法。

在任何情况下，STL实现都不会因为某些未知的原因而变慢，它只是完全按照你的要求去做;希望你能明白。

2011-09-01 10:34:03

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