c++ - 两个代码段之间执行时间的奇怪差异

Question

所以我想看看在比较之前不将一个变量的值复制到另一个变量可以提高程序的性能多少(这将在示例中更好地解释)，我注意到一些奇怪的事情。我有这两个代码段:

string a = "";
for (int i = 0; i < 1000000; i++) a += 'a';

for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    if ('b' == a.at(i));//compare the two chars directly
}

和

string a = "";
for (int i = 0; i < 100000000; i++) a += 'a';

for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
    char c = a.at(i);//declare a new variable
    if ('b' == c);//compare the char with the newly created variable,
                  //instead of comparing it to the other char directly
}

我认为第二段的执行时间会更长，因为与第一段相比多声明了一个变量。当我实际为这两个计时时，我发现第二个比第一个花费的时间少。我给它计时了几次，第二个似乎总是比执行时间少 0.13 秒左右。完整代码如下:

#include <string>
#include <iostream>
#include <ctime>

using namespace std;

int main() {
    clock_t timer;

    string a = "";
    string b;

    for (int i = 0; i < 100000000; i++)
        a += "a";

    timer = clock();

    for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
        if ('b'==a.at(i)) b += "a";
    }

    cout << (clock()-timer)/(float)CLOCKS_PER_SEC << "sec" << endl;

    timer = clock();

    for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
        char c = a.at(i);
        if ('b'==c) b += "a";
    }

    cout << (clock()-timer)/(float)CLOCKS_PER_SEC << "sec" << endl;

    return 0;
}

为什么会这样？

编辑:我听从了 NathanOliver 的建议，并为每个循环添加了单独的字符串，所以现在代码如下所示:

#include <string>
#include <iostream>
#include <ctime>

using namespace std;

int main() {
    clock_t timer;

    string compare_string_1 = "";
    string compare_string_2 = "";
    string segment_1 = "";
    string segment_2 = "";

    for (int i = 0; i < 100000000; i++)
        compare_string_1 += "a";

    for (int i = 0; i < 100000000; i++)
        compare_string_2 += "a";

    timer = clock();

    for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
        if ('b'==compare_string_1.at(i)) segment_1 += "a";
    }

    cout << (clock()-timer)/(float)CLOCKS_PER_SEC << "sec" << endl;

    timer = clock();

    for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
        char c = compare_string_2.at(i);
        if ('b'==c) segment_2 += "a";
    }

    cout << (clock()-timer)/(float)CLOCKS_PER_SEC << "sec" << endl;

    return 0;
}

Answer 1

使用 Visual C++ 2010，我得到了与上面评论中相同的计时结果 - 平均而言，第二个循环大约占用第一个循环运行时间的 80%。一两次，第一个循环有点快，但这可能是由于操作系统中的一些线程问题。检查反汇编结果如下:

第一个循环:

01231120  cmp         dword ptr [ebp-38h],esi  
01231123  jbe         main+1CBh (123120Bh)  
01231129  cmp         dword ptr [ebp-34h],10h  
0123112D  mov         eax,dword ptr [ebp-48h]  
01231130  jae         main+0F5h (1231135h)  
01231132  lea         eax,[ebp-48h]  
01231135  cmp         byte ptr [eax+esi],62h  
01231139  jne         main+108h (1231148h)  
0123113B  mov         ebx,1  
01231140  lea         eax,[ebp-80h]  
01231143  call        std::basic_string<char,std::char_traits<char>,std::allocator<char> >::append (1231250h)  
01231148  inc         esi  
01231149  cmp         esi,5F5E100h  
0123114F  jl          main+0E0h (1231120h)

第二个循环:

01231155  cmp         dword ptr [ebp-1Ch],esi  
01231158  jbe         main+1CBh (123120Bh)  
0123115E  cmp         dword ptr [ebp-18h],10h  
01231162  mov         eax,dword ptr [ebp-2Ch]  
01231165  jae         main+12Ah (123116Ah)  
01231167  lea         eax,[ebp-2Ch]  
0123116A  cmp         byte ptr [eax+esi],62h  
0123116E  jne         main+13Dh (123117Dh)  
01231170  mov         ebx,1  
01231175  lea         eax,[ebp-64h]  
01231178  call        std::basic_string<char,std::char_traits<char>,std::allocator<char> >::append (1231250h)  
0123117D  inc         esi  
0123117E  cmp         esi,5F5E100h  
01231184  jl          main+115h (1231155h) 

由于生成的程序集看起来或多或少相同，我想到了操作系统或 CPU 中的节流机制，你猜怎么着？在两个循环之间添加 Sleep(5000); 导致第二个循环(几乎)总是比第一个循环慢。运行 20 次后，第二个循环平均花费了第一个循环运行时间的 150%。

编辑:将自旋计数增加五倍会得到相同的结果。我假设大约 0.5 秒的运行时间或多或少是可以可靠测量的。 :-)

在原始代码中，我认为，操作系统可能需要一些时间片来检测 CPU 负载，然后在调度期间开始给予线程更多优先级，CPU 也可能会在 while 之后提升，从而使第一个循环的部分“未提升” ”。当第二个循环开始执行时，操作系统/CPU 可能会为繁重的工作负载做好准备并执行得更快一些。 MMU 或操作系统内部内存页面处理也会发生同样的情况。在循环之间添加 sleep 时，可能会发生相反的情况，导致操作系统将线程搁置一段时间，直到最终检测到新的工作负载，从而使第二个循环的执行速度稍慢。

你的结果是什么？是否有人手头有合适的分析器(如英特尔放大器)来测量循环内的 CPI 率和 CPU 速度步进？