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

我的笔记本电脑是联想G770 (4gb内存)。

操作系统为Windows 7 64位(笔记本电脑版本)

编译器是MinGW 4.6.1。

IDE为Code::Blocks。

我测试了第一篇文章的源代码。

结果

O2优化

UseArray完成用时2.841秒

UseVector在2.548秒内完成

UseVectorPushBack在11.95秒内完成

全程用时17.342秒

系统暂停

O3优化

UseArray完成用时1.452秒

UseVector在2.514秒内完成

UseVectorPushBack在12.967秒内完成

全程用时16.937秒

在O3优化下，向量的性能更差。

如果你把循环改为

    pixels[i].r = i;
    pixels[i].g = i;
    pixels[i].b = i;

在O2和O3下，数组和矢量的速度几乎相同。

2012-03-20 15:10:45

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

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

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

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

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