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

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。

其他回答

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。

好吧,因为vector::resize()比普通内存分配(由malloc)做更多的处理。

尝试在复制构造函数中设置断点(定义它以便可以设置断点!),就会增加处理时间。

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。

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。

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。