为什么处理一个分类阵列的速度要快于处理一个未排序阵列的速度?

这是C++代码的一块显示一些非常特殊的行为

出于某种原因,对数据进行分类(之前奇迹般地使主环速度快近六倍:

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

int main()
{
    // Generate data
    const unsigned arraySize = 32768;
    int data[arraySize];

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

    // !!! With this, the next loop runs faster.
    std::sort(data, data + arraySize);

    // Test
    clock_t start = clock();
    long long sum = 0;
    for (unsigned i = 0; i < 100000; ++i)
    {
        for (unsigned c = 0; c < arraySize; ++c)
        {   // Primary loop.
            if (data[c] >= 128)
                sum += data[c];
        }
    }

    double elapsedTime = static_cast<double>(clock()-start) / CLOCKS_PER_SEC;

    std::cout << elapsedTime << '\n';
    std::cout << "sum = " << sum << '\n';
}

不无std::sort(data, data + arraySize);代码在11.54秒内运行
根据分类数据代码在1.93秒内运行

(分类本身需要的时间比这个通过数组的时间要长, 所以如果我们需要计算未知数组, 它实际上不值得做。)

起初,我以为这只是一种语言或编译器异常, 所以我尝试了爪哇:

import java.util.Arrays;
import java.util.Random;

public class Main
{
    public static void main(String[] args)
    {
        // Generate data
        int arraySize = 32768;
        int data[] = new int[arraySize];

        Random rnd = new Random(0);
        for (int c = 0; c < arraySize; ++c)
            data[c] = rnd.nextInt() % 256;

        // !!! With this, the next loop runs faster
        Arrays.sort(data);

        // Test
        long start = System.nanoTime();
        long sum = 0;
        for (int i = 0; i < 100000; ++i)
        {
            for (int c = 0; c < arraySize; ++c)
            {   // Primary loop.
                if (data[c] >= 128)
                    sum += data[c];
            }
        }

        System.out.println((System.nanoTime() - start) / 1000000000.0);
        System.out.println("sum = " + sum);
    }
}

其结果类似,但不太极端。

我第一种想法是分类能把数据带进缓存缓存,但那是愚蠢的因为阵列是刚刚产生的。

这是怎么回事?
为什么处理一个分类阵列的速度要快于处理一个未排序阵列的速度?

守则正在总结一些独立的术语,因此命令不应重要。

相关/后续行动不同/以后的编译者和选项的相同效果:

当前回答

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。

我还想列举:@Simon_ weaver评论中:

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...

2017-12-07 17:28:29

其他回答

巴恩·斯特鲁斯特鲁斯特鲁普的回答对此问题:

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。

其中一个原因是分支预测: 类算法中的关键操作是“if(v[i] < pivot]) …”对于排序序列,测试总是真实的,而对于随机序列,选定的分支则随机变化。

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。

2019-10-14 23:34:40

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 */    
}

两者likely()和unlikely()事实上,它们是通过使用诸如海合会(海合会)等东西来界定的宏观。__builtin_expect帮助编译者插入预测代码以有利于条件, 同时考虑到用户提供的信息。海合会支持其他能改变运行程序行为或发布低级别指令的内建元素, 如清除缓存等。文献文件穿过海合会现有的建筑

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。

2015-09-23 14:57:47

这是肯定的!

分处预测逻辑会放慢速度, 因为代码中的转换会发生! 就像你走一条直街或一条路, 转得很多,

如果对数组进行了排序,您的状态在第一步是虚假的:data[c] >= 128,然后成为通向街道尽头的整个路程的真正价值。这就是你如何更快地达到逻辑的终点。另一方面,使用一个未分类的阵列,你需要大量转动和处理,这可以保证你的代码运行速度较慢...

看看我在下面为你们创造的图象,哪条街会更快完工?

因此,从方案上说,子分支预测导致进程变慢...

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

微处理器在第一次遇到有条件的分支时使用静态分支预测,在随后执行有条件的分支代码时使用动态分支预测。

为了有效地编写你的代码,以便利用这些规则,在撰写时if-ele 单位或开关循环不一定需要固定分支预测的任何特殊代码顺序,因为通常只使用循环迭代器的条件。

2017-06-18 11:40:43

正如其他人已经提到的,神秘背后的背后是什么?处预测员.

我不是要补充一些东西,而是要用另一种方式解释这个概念。维基文字有一个简明的介绍,里面有文字和图表。我确实喜欢下面的解释,下面用一个图表来用直觉来描述处的预言。

在计算机结构中,分支预测器是一种数字电路,它试图猜到分支(如如果是当时的else结构)将走哪条路,然后才能确定这一点。分支预测器的目的是改善教学管道的流量。分支预测器在很多现代管道式微处理器结构(如x86)实现高效运行方面发挥着关键作用。

双向分机通常是用有条件跳跃指令执行的。有条件跳跃要么可以“ 不采取” , 继续使用在有条件跳跃后立即出现的代码第一分支, 要么可以在存储代码第二分支的方案记忆中“ 采取” 并跳到不同位置。无法确定在计算条件和有条件跳跃通过指令管道的执行阶段之前是否采取有条件跳跃(见图1)。

根据所述情况,我写了动画演示,以显示在不同情况下如何在管道中执行指示。

没有部门预言家。

没有分支预测,处理器必须等到有条件跳跃指令通过执行阶段后,下一个指令才能进入管道的接货阶段。

该示例包含三个指令, 第一个是有条件跳跃指令。后两个指令可以进入管道, 直到有条件跳跃指令执行为止。

完成3项指示需要9小时周期。

使用预测器,不要采取有条件的跳跃。让我们假设预测是否接受有条件的跳跃。

完成3项指示需要7小时周期。

使用预测器进行有条件的跳跃假设预测是否接受有条件的跳跃。

完成3项指示需要9小时周期。

在分支误用的情况下,浪费的时间相当于从取货阶段到执行阶段的输油管阶段的数量。现代微处理器往往有相当长的输油管,因此误用延迟时间在10到20小时之间。结果,输油管更长时间增加了对更先进的分支预测器的需求。

如你所见,我们似乎没有理由不使用部门预言家。

这是一个很简单的演示,可以澄清分支预言家的基本部分。如果这些小精灵很烦人,请随意将他们从答案中删除,访问者也可以从中获取源代码。PrepdictorDemo 分支介质

2017-11-06 16:15:16