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

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。

2010-09-08 12:27:18

其他回答

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

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。

2010-09-08 12:27:18

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。

2010-09-25 12:53:33

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

一些分析器数据(像素对齐为32位):

g++ -msse3 -O3 -ftree-vectorize -g test.cpp -DNDEBUG && ./a.out
UseVector completed in 3.123 seconds
UseArray completed in 1.847 seconds
UseVectorPushBack completed in 9.186 seconds
The whole thing completed in 14.159 seconds

Blah

andrey@nv:~$ opannotate --source libcchem/src/a.out  | grep "Total samples for file" -A3
Overflow stats not available
 * Total samples for file : "/usr/include/c++/4.4/ext/new_allocator.h"
 *
 * 141008 52.5367
 */
--
 * Total samples for file : "/home/andrey/libcchem/src/test.cpp"
 *
 *  61556 22.9345
 */
--
 * Total samples for file : "/usr/include/c++/4.4/bits/stl_vector.h"
 *
 *  41956 15.6320
 */
--
 * Total samples for file : "/usr/include/c++/4.4/bits/stl_uninitialized.h"
 *
 *  20956  7.8078
 */
--
 * Total samples for file : "/usr/include/c++/4.4/bits/stl_construct.h"
 *
 *   2923  1.0891
 */

在分配器:

               :      // _GLIBCXX_RESOLVE_LIB_DEFECTS
               :      // 402. wrong new expression in [some_] allocator::construct
               :      void
               :      construct(pointer __p, const _Tp& __val)
141008 52.5367 :      { ::new((void *)__p) _Tp(__val); }

向量:

               :void UseVector()
               :{ /* UseVector() total:  60121 22.3999 */
...
               :
               :
 10790  4.0201 :        for (int i = 0; i < dimension * dimension; ++i) {
               :
   495  0.1844 :            pixels[i].r = 255;
               :
 12618  4.7012 :            pixels[i].g = 0;
               :
  2253  0.8394 :            pixels[i].b = 0;
               :
               :        }

数组

               :void UseArray()
               :{ /* UseArray() total:  35191 13.1114 */
               :
...
               :
   136  0.0507 :        for (int i = 0; i < dimension * dimension; ++i) {
               :
  9897  3.6874 :            pixels[i].r = 255;
               :
  3511  1.3081 :            pixels[i].g = 0;
               :
 21647  8.0652 :            pixels[i].b = 0;

大部分开销都在复制构造函数中。例如,

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

    pixels.reserve(dimension * dimension);

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

        pixels[i].r = 255;

        pixels[i].g = 0;

        pixels[i].b = 0;
    }

它具有与数组相同的性能。

2010-09-08 03:47:44

推荐文章

aliyun

最新文章

标签

2025 code 京ICP备15047053号-1