java - 为什么我的 Java 合并排序比我的 C++ 实现更快？

Question

我在 Java 和 C++ 中实现了合并排序，并尝试尽可能相似地实现它们。两种算法都有效，我对它们进行了多次测试。问题是我的 Java 实现比我的 C++ 实现快很多，我想知道为什么。我不敢相信 Java 会更快，所以我想我在其中一个实现中犯了一个错误。为了测量运行时间，我创建了一个类“Person”，它有两个字符串属性(名字、姓氏)。在 C++ 中，我使用了 std::vector<Person*>在 Java 中我使用了 ArrayList<Person> .另外我重载了 operator<在 C++ 中比较两个人(比较姓氏，如果相等则比较名字)。在 Java 中，我实现了接口(interface) Comparable<Person>比较两个人。

您能在我的代码中找到一个错误或者 Java 会更快或 C++ 会更慢的原因吗？任何帮助将不胜感激。

我的 Java 代码:

public void mergeSort(List<T> list) {
    if (list.size() <= 1) {
        return;
    }

    int subLength = (int) (list.size() / 2);
    List<T> first = new ArrayList<T>(list.subList(0, subLength));
    List<T> second = new ArrayList<T>(list.subList(subLength, list.size()));


    mergeSort(first);
    mergeSort(second);

    merge(first, second, list);
    return;
}

private void merge(List<T> first, List<T> second, List<T> result) {
    int firstPos = 0, secondPos = 0, resultPos = 0;

    while (firstPos < first.size() && secondPos < second.size()) {
        if (first.get(firstPos).compareTo(second.get(secondPos)) < 0) {
            result.set(resultPos, first.get(firstPos));
            firstPos++;
        } else {
            result.set(resultPos, second.get(secondPos));
            secondPos++;
        }
        resultPos++;
    }

    for (int i = firstPos; i < first.size(); i++) {
        result.set(resultPos, first.get(i));
        resultPos++;
    }
    for (int i = secondPos; i < second.size(); i++) {
        result.set(resultPos, second.get(i));
        resultPos++; 
    }
}

我的 C++ 代码:

注意:我使用了两个模板方法来使合并排序可用于 Person和 Person* .

template<typename T>
    T * ptr(T & obj) { return &obj; } 

    template<typename T>
    T * ptr(T * obj) { return obj; }


void mergeSort(std::vector<T> &list) {
        if (list.size() <= 1) {
            return;
        }

        int subLength = (int)(list.size() / 2);
        std::vector<T> first(list.begin(), list.begin() + subLength);
        std::vector<T> second(list.begin() + subLength, list.end());

        mergeSort(first);
        mergeSort(second);

        merge(first, second, list);

    }
void merge(const std::vector<T> &first, const std::vector<T> &second, std::vector<T> &result) {
        int firstPos = 0, secondPos = 0, resultPos = 0;
        while (firstPos < first.size() && secondPos < second.size()) {
            if (*ptr(first[firstPos]) < *ptr(second[secondPos])) {
                result[resultPos] = first[firstPos];
                firstPos++;
            }
            else {
                result[resultPos] = second[secondPos];
                secondPos++;
            }
            resultPos++;
        }

        for (int i = firstPos; i < first.size(); i++) {
            result[resultPos] = first[i];
            resultPos++;
        }
        for (int i = secondPos; i < second.size(); i++) {
            result[resultPos] = second[i];
            resultPos++;
        }
    }

编辑 1 和 2:

我的安装配置:

我使用了 100 万、1000 万和 2000 万人来测试实现。我用多少人测试并不重要，Java 总是更快。

然后我通过以下方式对其进行测试:我创建人员并初始化我的 MergeSort -类(class)。然后我开始测量并调用我的 mergeSort -方法。分类完成后，我停止测量。 (删除发生在时间测量之后)。对于 Java 中的时间测量，我使用 System.nanoTime()在 C++ 中我使用 chrono::high_resolution_clock::time_point

当然，我在“发布”模式下编译了 C++(优化:O2，首选更快的代码)。

我的测试电脑:

• 英特尔 i5 2500
• 8GB DDR3 内存
• Windows 10 教育

编辑3:

有一件事我忘了说。我以通用方式实现了该算法，以便使用简单的数据类型和对象。当我使用 std::vector<int>和 ArrayList<Integer>在 Java 中，那么我的 C++ 实现要快得多。我的第一次尝试是使用 std::vector<Person>但它甚至更慢。所以我的猜测是它制作了深拷贝而不是浅拷贝，这就是我切换到 Person* 的原因。因为我认为当复制发生时，只会复制指针。

Answer 1

TL;DR - Java 版本减少了很多数组复制。

ArrayList constructor (see line 167) ArrayList 在传递 Collection 时使用 Collection.toArray() 并在需要时可选地使用 Arrays.copyOf。 在 ArrayList 的情况下，无需复制 - toArray() 返回对底层数组的引用。

另请注意，if (elementData.getClass() != Object[].class) 将导致数组不再被复制。

ArrayList 对象上的 Java List.subList 不会复制任何底层数组，它只是返回一个由原始数组支持的 ArrayList但仅限于所需的元素。

因此 - 在可能的情况下，整个机制使用实际上仅引用原始数组的子列表 - 不需要复制。

不太熟悉 C++，但我怀疑有很多数组复制和分配正在进行，而这些不需要由 Java 完成。

添加 - 正如@ThomasKläger 正确指出的那样，ArrayList.toArray 实际上确实返回数组的防御拷贝 - 所以我在上面错了。