c++ - 为什么 snprintf 在打印单个数字时始终比 ostringstream 快 2 倍？

Question

我正在测试用 C++ 格式化 double 的各种方法，下面是我想出的一些代码:

#include <chrono>
#include <cstdio>
#include <random>
#include <vector>
#include <sstream>
#include <iostream>

inline long double currentTime()
{
    const auto now = std::chrono::steady_clock::now().time_since_epoch();
    return std::chrono::duration<long double>(now).count();
}

int main()
{
    std::mt19937 mt(std::random_device{}());
    std::normal_distribution<long double> dist(0, 1e280);
    static const auto rng=[&](){return dist(mt);};
    std::vector<double> numbers;
    for(int i=0;i<10000;++i)
        numbers.emplace_back(rng());

    const int precMax=200;
    const int precStep=10;

    char buf[10000];
    std::cout << "snprintf\n";
    for(int precision=10;precision<=precMax;precision+=precStep)
    {
        const auto t0=currentTime();
        for(const auto num : numbers)
            std::snprintf(buf, sizeof buf, "%.*e", precision, num);
        const auto t1=currentTime();
        std::cout << "Precision " << precision << ": " << t1-t0 << " s\n";
    }

    std::cout << "ostringstream\n";
    for(int precision=10;precision<=precMax;precision+=precStep)
    {
        std::ostringstream ss;
        ss.precision(precision);
        ss << std::scientific;
        const auto t0=currentTime();
        for(const auto num : numbers)
        {
            ss.str("");
            ss << num;
        }
        const auto t1=currentTime();
        std::cout << "Precision " << precision << ": " << t1-t0 << " s\n";
    }
}

让我奇怪的是，起初，当精度小于 40 时，我或多或少获得了相同的性能。但是，2.1x 的区别在于 snprintf。查看我在 Core i7-4765T、Linux 32 位、g++ 5.5.0、libc 2.14.1 上的输出，使用 -march=native -O3 编译:

snprintf
Precision 10: 0.0262963 s
Precision 20: 0.035437 s
Precision 30: 0.0468597 s
Precision 40: 0.0584917 s
Precision 50: 0.0699653 s
Precision 60: 0.081446 s
Precision 70: 0.0925062 s
Precision 80: 0.104068 s
Precision 90: 0.115419 s
Precision 100: 0.128886 s
Precision 110: 0.138073 s
Precision 120: 0.149591 s
Precision 130: 0.161005 s
Precision 140: 0.17254 s
Precision 150: 0.184622 s
Precision 160: 0.195268 s
Precision 170: 0.206673 s
Precision 180: 0.218756 s
Precision 190: 0.230428 s
Precision 200: 0.241654 s
ostringstream
Precision 10: 0.0269695 s
Precision 20: 0.0383902 s
Precision 30: 0.0497328 s
Precision 40: 0.12028 s
Precision 50: 0.143746 s
Precision 60: 0.167633 s
Precision 70: 0.190878 s
Precision 80: 0.214735 s
Precision 90: 0.238105 s
Precision 100: 0.261641 s
Precision 110: 0.285149 s
Precision 120: 0.309025 s
Precision 130: 0.332283 s
Precision 140: 0.355797 s
Precision 150: 0.379415 s
Precision 160: 0.403452 s
Precision 170: 0.427337 s
Precision 180: 0.450668 s
Precision 190: 0.474012 s
Precision 200: 0.498061 s

所以我的主要问题是:造成这种双重差异的原因是什么？此外，如何使 ostringstream 的性能更接近 snprintf？

注意:另一个问题，Why is snprintf faster than ostringstream or is it? ，和我的不一样。首先，那里没有具体的答案，为什么不同精度的单个数字的格式化速度较慢。其次，这个问题问的是“为什么它通常比较慢”，这个问题太宽泛，无法回答我的问题，而这个问题问的是格式化单个 double 数字的一种特定情况。

Answer 1

std::ostringstream电话 vsnprintf两次:第一次尝试使用小缓冲区，第二次尝试使用正确大小的缓冲区。参见 locale_facets.tcc大约第 1011 行(此处 std::__convert_from_v 是 vsnprintf 的代理):

#if _GLIBCXX_USE_C99_STDIO
    // Precision is always used except for hexfloat format.
    const bool __use_prec =
      (__io.flags() & ios_base::floatfield) != ios_base::floatfield;

    // First try a buffer perhaps big enough (most probably sufficient
    // for non-ios_base::fixed outputs)
    int __cs_size = __max_digits * 3;
    char* __cs = static_cast<char*>(__builtin_alloca(__cs_size));
    if (__use_prec)
      __len = std::__convert_from_v(_S_get_c_locale(), __cs, __cs_size,
                    __fbuf, __prec, __v);
    else
      __len = std::__convert_from_v(_S_get_c_locale(), __cs, __cs_size,
                    __fbuf, __v);

    // If the buffer was not large enough, try again with the correct size.
    if (__len >= __cs_size)
      {
        __cs_size = __len + 1;
        __cs = static_cast<char*>(__builtin_alloca(__cs_size));
        if (__use_prec)
          __len = std::__convert_from_v(_S_get_c_locale(), __cs, __cs_size,
                        __fbuf, __prec, __v);
        else
          __len = std::__convert_from_v(_S_get_c_locale(), __cs, __cs_size,
                        __fbuf, __v);
      }

这与观察结果完全吻合，即对于小要求的精度性能与 snprintf 相同，而对于更高的精度，它的精度要差 2 倍。

此外，由于使用的缓冲区不依赖于 std::ostringstream 的任何属性缓冲区，仅在 __max_digits 上，定义为 __gnu_cxx::__numeric_traits<_ValueT>::__digits10 , 除了修复 libstdc++ 之外似乎没有任何自然的修复方法本身。

我已经 reported它是 libstdc++ 的错误。