c++ - 为什么 std::u16string 比 char16_t 数组慢？

Question

经过一些性能实验，似乎使用 char16_t 数组有时可以将性能提高 40-50%，但似乎使用 std::u16string 而不进行任何复制和分配应该与 C 数组一样快。然而，基准测试显示相反。

这是我为基准测试编写的代码(它使用 Google Benchmark 库):

#include "benchmark/benchmark.h"
#include <string>

static std::u16string str;
static char16_t *str2;

static void BM_Strings(benchmark::State &state) {
    while (state.KeepRunning()) {
        for (size_t i = 0; i < str.size(); i++){
            benchmark::DoNotOptimize(str[i]);
        }
    }
}

static void BM_CharArray(benchmark::State &state) {
    while (state.KeepRunning()) {
        for (size_t  i = 0; i < str.size(); i++){
            benchmark::DoNotOptimize(str2[i]);
        }
    }
}

BENCHMARK(BM_Strings);
BENCHMARK(BM_CharArray);

static void init(){
    str = u"Various applications of randomness have led to the development of several different methods ";
    str2 = (char16_t *) str.c_str();
}

int main(int argc, char** argv) {
    init();
    ::benchmark::Initialize(&argc, argv);
    ::benchmark::RunSpecifiedBenchmarks();
}

显示如下结果:

Run on (8 X 2200 MHz CPU s)
2017-07-11 23:05:57
Benchmark             Time           CPU Iterations
---------------------------------------------------
BM_Strings         1832 ns       1830 ns     365938
BM_CharArray        928 ns        926 ns     712577

我在 mac 上使用 clang(Apple LLVM 版本 8.1.0 (clang-802.0.42))。启用优化后，差距更小但仍然很明显:

 Benchmark             Time           CPU Iterations
---------------------------------------------------
BM_Strings          242 ns        241 ns    2906615
BM_CharArray        161 ns        161 ns    4552165

有人可以解释这里发生了什么以及为什么会有所不同吗？

更新(混合顺序并添加了一些热身步骤):

Benchmark             Time           CPU Iterations
---------------------------------------------------
BM_CharArray        670 ns        665 ns     903168
BM_Strings          856 ns        854 ns     817776
BM_CharArray        166 ns        166 ns    4369997
BM_Strings          225 ns        225 ns    3149521

还包括我正在使用的编译标志:

/usr/bin/clang++ -I{some includes here} -O3 -std=c++14 -stdlib=libc++ -Wall -Wextra -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX10.12.sdk -O3 -fsanitize=address -Werror -o CMakeFiles/BenchmarkString.dir/BenchmarkString.cpp.o -c test/benchmarks/BenchmarkString.cpp

Answer 1

由于 libc++ 实现小字符串优化的方式，在每次取消引用时，它都需要检查字符串内容是存储在字符串对象本身还是堆中。因为索引被包装在 benchmark::DoNotOptimize 中，所以每次访问字符时都需要执行此检查。通过指针访问字符串数据时，数据始终是外部的，因此不需要检查。