由于一种被称为分支预测的现象,分类的阵列的处理速度要快于未排序的阵列。

分支预测器是一个数字电路(在计算机结构中),它试图预测一个分支会走哪条路,从而改善教学管道的流量。电路/计算机预测下一步并进行执行。

错误的预测导致回到前一步,执行另一个预测。 假设预测是正确的,代码将持续到下一步骤。 错误的预测导致重复同一步骤,直到出现正确的预测。

你问题的答案很简单

在未排列的阵列中,计算机进行多次预测,导致误差的可能性增加。而在分类的阵列中,计算机的预测减少,误差的可能性减少。 做更多的预测需要更多的时间。

排序的数组: 直路

____________________________________________________________________________________
- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT

未排列的队列: 曲线路

______   ________
|     |__|

部门预测: 猜测/预测哪条道路是直的,未检查就沿着这条道路走

___________________________________________ Straight road
 |_________________________________________|Longer road

虽然两条道路都到达同一目的地,但直路更短,另一条更长。如果你错误地选择另一条道路,就没有回头路,所以如果你选择更长的路,你就会浪费一些更多的时间。这与计算机中发生的事情相似,我希望这能帮助你更好地了解。

@Simon_Weaver在评论中也提到:

它不会减少预测数量 — — 它会减少不正确的预测。 它仍然必须通过循环预测每一次...

如果您对这个代码可以做的更多优化感到好奇, 请考虑 :

以原始循环开始 :

for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i)
{
    for (unsigned j = 0; j < arraySize; ++j)
    {
        if (data[j] >= 128)
            sum += data[j];
    }
}

通过循环互换,我们可以安全地将这一循环改为:

for (unsigned j = 0; j < arraySize; ++j)
{
    for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i)
    {
        if (data[j] >= 128)
            sum += data[j];
    }
}

然后,你可以看到,如果条件是不变的 在整个执行 i 循环, 所以你可以拉起,如果:

for (unsigned j = 0; j < arraySize; ++j)
{
    if (data[j] >= 128)
    {
        for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i)
        {
            sum += data[j];
        }
    }
}

然后,你看,内环会崩溃成一个单一的表达式, 假设浮点模型允许它(/ fp: fast 被丢弃, 例如)

for (unsigned j = 0; j < arraySize; ++j)
{
    if (data[j] >= 128)
    {
        sum += data[j] * 100000;
    }
}

这比以前快了十万倍

这是肯定的!

部门预测使得逻辑运行速度放慢, 因为代码中的转换会发生! 就像你走一条直街或一条街, 转得很多,

If the array is sorted, your condition is false at the first step: data[c] >= 128, then becomes a true value for the whole way to the end of the street. That's how you get to the end of the logic faster. On the other hand, using an unsorted array, you need a lot of turning and processing which make your code run slower for sure...

看看我在下面为你们创造的图象,哪条街会更快完工?

调

因此,在程序上,分支预测导致过程的慢化...

最后,很高兴知道 我们有两种分支预测 每个分支将对你的代码产生不同的影响:

1. 静态

2. 动态

调

微处理器在第一次遇到有条件分支时使用静态分支预测,在随后执行有条件分支代码时则使用动态分支预测。为了有效编写代码以利用这些规则,在撰写 if-else 或 开关 语句时,先检查最常见的情况,然后逐步工作到最不常见的情况。循环不一定要求固定分支预测使用任何特殊的代码顺序,因为通常只使用循环迭代器的条件。

Bjarne Stroustrup对此问题的答复:

这听起来像面试问题。是真的吗?你怎么知道?回答效率问题而不首先做一些测量是不明智的,所以知道如何衡量是很重要的。

于是,我用百万整数的矢量尝试过,然后得到:

Already sorted    32995 milliseconds
Shuffled          125944 milliseconds

Already sorted    18610 milliseconds
Shuffled          133304 milliseconds

Already sorted    17942 milliseconds
Shuffled          107858 milliseconds

我跑了好几次才确定。 是的,这个现象是真实的。我的关键代码是:

void run(vector<int>& v, const string& label)
{
    auto t0 = system_clock::now();
    sort(v.begin(), v.end());
    auto t1 = system_clock::now();
    cout << label
         << duration_cast<microseconds>(t1 — t0).count()
         << " milliseconds\n";
}

void tst()
{
    vector<int> v(1'000'000);
    iota(v.begin(), v.end(), 0);
    run(v, "already sorted ");
    std::shuffle(v.begin(), v.end(), std::mt19937{ std::random_device{}() });
    run(v, "shuffled    ");
}

至少这个编译器、 标准库和优化设置是真实存在的。 不同的执行可以而且确实提供了不同的答案。 事实上,有人做了更系统的研究( 快速的网络搜索会找到它) , 而大多数执行都显示了这种效果。

原因之一是分支预测:类式算法中的关键操作是“if(v)(i) < pivot] ” 或等效。对于一个分类序列,测试总是真实的,而对于随机序列,选择的分支则随机变化。

另一个原因是,当矢量已经分类后,我们从不需要将元素移到正确位置。这些小细节的影响是我们看到的5或6个系数。

Quicksort(以及一般分类)是一项复杂的研究,吸引了计算机科学中最伟大的一些思想。 一种良好的功能是选择良好的算法和关注硬件的运行效果的结果。

如果您想要写入高效代码, 您需要了解一些关于机器结构的知识 。

其他答复的假设是,一个人需要对数据进行分类是不正确的。

以下代码不排序整个阵列,但只排序其中的200个元素部分,因此运行速度最快。

只排序 k- 元素区域时, 以线性时间( O(n)) 完成预处理, 而不是以 O( n. log(n)) 时间来排序整个数组 。

#include <algorithm>
#include <ctime>
#include <iostream>

int main() {
    int data[32768]; const int l = sizeof data / sizeof data[0];

    for (unsigned c = 0; c < l; ++c)
        data[c] = std::rand() % 256;

    // sort 200-element segments, not the whole array
    for (unsigned c = 0; c + 200 <= l; c += 200)
        std::sort(&data[c], &data[c + 200]);

    clock_t start = clock();
    long long sum = 0;

    for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i) {
        for (unsigned c = 0; c < sizeof data / sizeof(int); ++c) {
            if (data[c] >= 128)
                sum += data[c];
        }
    }

    std::cout << static_cast<double>(clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC << std::endl;
    std::cout << "sum = " << sum << std::endl;
}

这个“证明”也与任何算法问题无关, 比如排序顺序, 并且确实是分支预测。

在同一行中(我认为没有任何答案强调这一点),最好提到有时(特别是在软件中,在软件中,性能很重要——如Linux内核),如果声明如下,你可以找到一些:

if (likely( everything_is_ok ))
{
    /* Do something */
}

或类似:

if (unlikely(very_improbable_condition))
{
    /* Do something */    
}

可能性 () 和 可能性 () 实际上都是宏, 其定义是使用海合会的 ` 内建_ 期望 ' 来帮助编译者插入预测代码, 以考虑到用户提供的信息, 从而有利于该条件。 海合会支持其他能够改变运行程序的行为或发布低级别指令, 如清除缓存等 。 请参见此文档, 内容可以通过海合会的现有内建 。

通常这种优化主要在硬实时应用程序或内嵌系统中找到,在这些系统中,执行时间很重要且至关重要。例如,如果您正在检查某些错误条件,而错误条件只发生1/10000 000次,那么为什么不通知编译者?这样,默认情况下,分支预测会假设该条件是假的。