c++ - C++ std::vector 是否比 C99 可变长度数组慢？

Question

我看过一些关于这个的讨论。许多人说他们应该是相同的速度。但是我自己做了一些测试。在我看来，使用 std::vector 的代码比使用数组的代码慢。但是我不太明白为什么..我使用了以下简单代码。

#include <cstdlib>
#include <vector>

#include <iostream>
#include <string>

#include <boost/date_time/posix_time/ptime.hpp>
#include <boost/date_time/microsec_time_clock.hpp>

class TestTimer
{
public:
  TestTimer(const std::string & name) : name(name),
    start(boost::date_time::microsec_clock<boost::posix_time::ptime>::local_time())
  {}

  ~TestTimer()
  {
    using namespace std;
    using namespace boost;

    posix_time::ptime now(date_time::microsec_clock<posix_time::ptime>::local_time());
    posix_time::time_duration d = now - start;
    cout << name << " completed in " << d.total_milliseconds() / 1000.0 <<
            " seconds" << endl;
  }

private:
  std::string name;
  boost::posix_time::ptime start;
};


using namespace std;

int main(int argc, char** argv)
{
  // timing for vector calculations
  {
    int n = 100000;
    std::vector<double> a(n),b(n),c(n);

    double* aa = &a[0];
    double* bb = &b[0];
    double* cc = &c[0];

    TestTimer t("vector");
    for ( long int j = 0; j < 1000; j ++ )
    for ( int i = 0; i < n; i ++ )
      aa[i]=bb[i]*cc[i];
  }

  // timing for array calculations
  {
    int n = 100000;
    double a[n],b[n],c[n];

    double* aa = &a[0];
    double* bb = &b[0];
    double* cc = &c[0];

    TestTimer t("array");
    for ( long int j = 0; j < 1000; j ++ )
    for ( int i = 0; i < n; i ++ )
      aa[i]=bb[i]*cc[i];
  }

}

然后我使用 -O0 或 -O3 使用 icpc 编译并运行了代码(g++ 给出了非常相似的结果。我重复了几次，结果是一样的。):

icpc test.C -o test.x -O3 -Fa -g
./test.x
vector completed in 0.06 seconds
array completed in 0.03 seconds


icpc test.C -o test.x -O0 -Fa -g
./test.x
vector completed in 0.269 seconds
array completed in 0.279 seconds

看起来与 -O3 一样，使用数组计算比使用 vector 快 2 倍。我查看了汇编代码(对于循环中的部分)。对于使用-O0 编译的汇编代码， vector 和数组看起来是一样的。但是当用-O3 编译时，它们看起来很不一样。 (见下文)我有点理解代码试图将数据从内存移动到寄存器(使用 movapsx)，进行乘法运算(mulpdx)并将数据移回(moapsx)。但是 movsdq、movhpdq 和 movapsx 之间有什么不同，为什么编译器会为数组和 vector 生成不同的代码？

使用 vector 的 -O3 汇编代码(循环部分):

movsdq  (%rbx,%r13,8), %xmm0
movsdq  0x10(%rbx,%r13,8), %xmm1
movsdq  0x20(%rbx,%r13,8), %xmm2
movsdq  0x30(%rbx,%r13,8), %xmm3
movhpdq  0x8(%rbx,%r13,8), %xmm0
movhpdq  0x18(%rbx,%r13,8), %xmm1
movhpdq  0x28(%rbx,%r13,8), %xmm2
movhpdq  0x38(%rbx,%r13,8), %xmm3
mulpdx  (%r9,%r13,8), %xmm0
mulpdx  0x10(%r9,%r13,8), %xmm1
mulpdx  0x20(%r9,%r13,8), %xmm2
mulpdx  0x30(%r9,%r13,8), %xmm3
movapsx  %xmm0, (%r15,%r13,8)
movapsx  %xmm1, 0x10(%r15,%r13,8)
movapsx  %xmm2, 0x20(%r15,%r13,8)
movapsx  %xmm3, 0x30(%r15,%r13,8)

使用数组的 -O3 汇编代码(循环部分):

movapsx  (%rbx,%rcx,8), %xmm0
movapsx  0x10(%rbx,%rcx,8), %xmm1
movapsx  0x20(%rbx,%rcx,8), %xmm2
movapsx  0x30(%rbx,%rcx,8), %xmm3
mulpdx  (%rsi,%rcx,8), %xmm0
mulpdx  0x10(%rsi,%rcx,8), %xmm1
mulpdx  0x20(%rsi,%rcx,8), %xmm2
mulpdx  0x30(%rsi,%rcx,8), %xmm3
movapsx  %xmm0, (%r13,%rcx,8)
movapsx  %xmm1, 0x10(%r13,%rcx,8)
movapsx  %xmm2, 0x20(%r13,%rcx,8)
movapsx  %xmm3, 0x30(%r13,%rcx,8)

编辑:我已更新代码以测试更多案例:

#include <cstdlib>
#include <vector>

#include <iostream>
#include <string>

#include <boost/date_time/posix_time/ptime.hpp>
#include <boost/date_time/microsec_time_clock.hpp>

class TestTimer
{
public:
  TestTimer(const std::string & name) : name(name),
    start(boost::date_time::microsec_clock<boost::posix_time::ptime>::local_time())
  {}

  ~TestTimer()
  {
    using namespace std;
    using namespace boost;

    posix_time::ptime now(date_time::microsec_clock<posix_time::ptime>::local_time());
    posix_time::time_duration d = now - start;
    cout << name << " completed in " << d.total_milliseconds() / 1000.0 <<
            " seconds" << endl;
  }

private:
  std::string name;
  boost::posix_time::ptime start;
};


using namespace std;

int main(int argc, char** argv)
{

  int n = 100;
  int N = 10000000;

  // timing for vector calculations
  {
    std::vector<double> a(n),b(n),c(n);

    double* aa = &a[0];
    double* bb = &b[0];
    double* cc = &c[0];

    {
    TestTimer t("vector1");
    for ( long int j = 0; j < N; j ++ )
    for ( int i = 0; i < n; i ++ )
      aa[i]=bb[i]*cc[i];
    }
  }

  // timing for vector calculations
  {
    std::vector<double> a(n),b(n),c(n);

    double* aa = &a[0];
    double* bb = &b[0];
    double* cc = &c[0];

    {
    TestTimer t("vector2");
    for ( long int j = 0; j < N; j ++ )
    for ( int i = 0; i < n; i ++ )
      a[i]=b[i]*c[i];
    }
  }

  // timing for array calculations
  {
    double a[n],b[n],c[n];

    double* aa = &a[0];
    double* bb = &b[0];
    double* cc = &c[0];

    {
    TestTimer t("array");
    for ( long int j = 0; j < N; j ++ )
    for ( int i = 0; i < n; i ++ )
      aa[i]=bb[i]*cc[i];  
    }
  }

  // timing for malloc calculations
  {
    double *a,*b,*c;

    a=(double*)malloc(sizeof(double)*n);
    b=(double*)malloc(sizeof(double)*n);
    c=(double*)malloc(sizeof(double)*n);

    double* aa = &a[0];
    double* bb = &b[0];
    double* cc = &c[0];

    {
    TestTimer t("malloc");
    for ( long int j = 0; j < N; j ++ )
    for ( int i = 0; i < n; i ++ )
      aa[i]=bb[i]*cc[i];
    }
  }

  // timing for new pointer calculations
  {
    double *a,*b,*c;

    a=new double[n];
    b=new double[n];
    c=new double[n];

    double* aa = &a[0];
    double* bb = &b[0];
    double* cc = &c[0];

    {
    TestTimer t("new pointer");
    for ( long int j = 0; j < N; j ++ )
    for ( int i = 0; i < n; i ++ )
      aa[i]=bb[i]*cc[i];
    }
  }

}

对于 n=100，N=10000000，我得到:

g++ test.C -o test.x -O3 -Fa -g 
./test.x
vector1 completed in 0.487 seconds
vector2 completed in 0.504 seconds
array completed in 1.624 seconds
malloc completed in 0.409 seconds
new pointer completed in 0.502 seconds

icpc test.C -o test.x -O3 -Fa -g 
./test.x
vector1 completed in 0.318 seconds
vector2 completed in 0.319 seconds
array completed in 0.216 seconds
malloc completed in 0.295 seconds
new pointer completed in 0.289 seconds

对于 n=100000，N=10000，我得到:

g++ test.C -o test.x -O3 -Fa -g 
./test.x
vector1 completed in 0.699 seconds
vector2 completed in 0.648 seconds
array completed in 0.397 seconds
malloc completed in 0.428 seconds
new pointer completed in 0.464 seconds

icpc test.C -o test.x -O3 -Fa -g 
./test.x
vector1 completed in 0.632 seconds
vector2 completed in 0.616 seconds
array completed in 0.308 seconds
malloc completed in 0.357 seconds
new pointer completed in 0.322 seconds

Answer 1

您没有测量与 std::vector 相关的 任何 除了运行它们的析构函数和释放内存所花费的时间，这不需要为阵列完成。

尝试将计时器放在一个新的范围内，这样它会在您销毁 vector 之前停止计时，您应该会看到非常相似的时间:

{
  TestTimer t("vector");
  for ( long int j = 0; j < 1000; j ++ )
  for ( int i = 0; i < n; i ++ )
    aa[i]=bb[i]*cc[i];
}

原因是 std::vector 内部只有一个数组，所以通过获取第一个元素的地址并对该数组执行所有计算，您不会对 vector 。完全没有意义的测试。

如果您测试了 a[i] = b[i] * c[i] 将显示在使用 vector 时是否存在差异。

目标代码中的微小差异可能是由于编译器不够智能，无法区分&a[0] 和&b[0] 和&c[0] 当这些地址来自 vector 的起始指针时，它们不会相互混淆，而它可以为在堆栈上声明的数组指明这一点。