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  • 6 个技巧,提升 C++11 的 vector 性能

    • 所有测试都在我的 Surface Book 中运行,这台笔记本拥有主频 2.6Ghz 的酷睿 i7 处理器,8 GB 内存,安装了 Windows 10 操作系统并使用 VS2015 C++ 编译器编译运行。

    • 我们会使用 Stopwatch。这个工具由 Kjell 创建,在 https://github.com/KjellKod/Stopwatch 可以找到。

    • 我们会运行每个测试 100 次,然后计算平均运行时间来作为依据。运行测试的代码在这里。你可以自由下载,用于在你自己的系统中评估 vector 的性能。那里提供的代码段只反映了一次循环,这让事件变得简单。

    • 我们在 vector 中存入 TestStruct 结构的数据,并使用 FillVector() 来填充 vector。它们的定义如下。

    // Test struct to be inserted/removed from vector
    struct BigTestStruct
    {
      int iValue = 1;
      float fValue;
      long lValue;
      double dValue;
      char cNameArr[10];
      int iValArr[100];
    };
    // Helper function to populate the test vectors
    void FillVector(vector<BigTestStruct>& testVector)
    {
      for (int i = 0; i < 10000; i++)
      {
        BigTestStruct bt;
        testVector.push_back(bt);
      }
    }

    马上开始在 C++ 11 中优化 vector 用法的介绍。

     


    #1 提前分配足够的空间以避免不必要的重新分配和复制周期

    程序员喜欢使用 vector,因为他们只需要往向容器中添加元素,而不用事先操心容器大小的问题。但是,如果由一个容量为 0 的 vector 开始,往里面添加元素会花费大量的运行性能。如果你之前就知道 vector 需要保存多少元素,就应该提前为其分配足够的空间。

    这里有一个简单的示例,往 vector 里添加 1 万个测试结构的实例——先进行不预分配空间的测试再进行有预分配的测试。

    vector<BigTestStruct> testVector1;
    vector<BigTestStruct> testVector2;
    sw.Restart();
    FillVector(testVector1);
    cout << "Time to Fill Vector Without Reservation:" << sw.ElapsedUs() << endl;
    sw.Restart();
    testVector2.reserve(10000);
    FillVector(testVector2);
    cout << "Time to Fill Vector With Reservation:" << sw.ElapsedUs() << endl;

    在我的计算机中,未预分配空间的情况用了 5145 微秒(us),而预分配了空间的情况下只用了 1279 微秒,性能提高了 75.14%!!!


    这个情况在 Scott Meyers 的书中得到了很好的解释,这本书叫 Effective STL-50条有效使用STL的经验:

    “对于 vector 和 string,在需要更多空间的时候,会做与 realloc 等效的事情。这种类似 realloc 的操作有4个步骤:

     1. 分别一个新的内存块,其容量是容器当前容量的数倍。多数实现中,vector 和 string 容量的提升因子在 1.5 和 2 之间。

    2. 从容器原来占用的内存中将元素拷贝到新分配的内存中。

    3. 释放原有内存中的对象。

    4. 释放原有内存。

    有了所有这些操作:分配、回收、拷贝和释放,如果说这些步骤(对于性能)极其昂贵,你一点都不应该感到惊讶。当然,你肯定不希望频繁的进行这样的操作。如果这还没有打动你,那么想想每次进行这些步骤的时候,vector 和 string 中所有的迭代器、指针和引用都会失效。这意味着一个简单的插入操作,对于其它使用了当前 vector 或 string 中的迭代器、指针或引用的数据结构,都有可能引起对它们进行更新。”


    #2 使用 shrink_to_fit() 释放 vector 占用的内存, – clear() 或 erase() 不会释放内存。

    与大家所想的相反,使用 erase() 或 clear() 从 vector 中删除元素并不会释放分配给 vector 的内存。做个简单的实验就可以证明这一点。我们往一个 vector 中添加 100 个元素,然后在这个 vector 上调用 clear() 和 erase()。然后我们可以让 capacity() 函数告诉我们为这个容器分配的内存可以存入多少元素。

    FillVector(testVector1);
    size_t capacity = testVector1.capacity();
    cout << "Capacity Before Erasing Elements:" << capacity << endl;
      
    testVector1.erase(testVector1.begin(), testVector1.begin() + 3); //
    capacity = testVector1.capacity();
    cout << "Capacity After Erasing 3 elements Elements:" << capacity << endl;
    testVector1.clear();
    capacity = testVector1.capacity();
    cout << "Capacity After clearing all emements:" << capacity << endl;
    testVector1.shrink_to_fit();
    capacity = testVector1.capacity();
    cout << "Capacity After shrinking the Vector:" << capacity << endl;

    下面是输出:

    Capacity Before Erasing Elements:12138
    Capacity After Erasing 3 elements Elements:12138
    Capacity After clearing all emements:12138
    Capacity After shrinking the Vector:0

    从上面的输出可以看到,erase() 或 clear() 不会减少 vector 占用的内存。如果在代码中到达某一点,不再需要 vector 时候,请使用 std::vector::shrink_to_fit() 方法释放掉它占用的内存。

    请注意,shrink_to_fit() 可能没有被所有编译器供应商完全支持。这种情况下,可以使用“Swap 惯用法”来清空 vector,代码如下:

    container<T>( c ).swap( c ); // shrink-to-fit 惯用法,用于清空存储空间

    container<T>().swap( c );    // 用于清空所有内容和存储空间的惯用法 

    如果你对此感兴趣,请查看“C++ Coding Standards: 101 Rules, Guidelines, and Best Practices”一书的条款# 82,其中有针对 swap 惯用法的细节介绍。


    #3 在填充或者拷贝到 vector 的时候,应该使用赋值而不是 insert() 或push_back().

    从一个 vector 取出元素来填充另一个 vector 的时候,常有三种方法 – 把旧的 vector 赋值给新的 vector,使用基于迭代器的 std::vector::insert() 或者使用基于循环的 std::vector::push_back()。这些方法都展示在下面:

    vector<BigTestStruct> sourceVector, destinationVector;
    FillVector(sourceVector);
    // Assign sourceVector to destination vector
    sw.Restart();
    destinationVector = sourceVector;
    cout << "Assigning Vector :" << sw.ElapsedUs() << endl;
    //Using std::vector::insert()
    vector<BigTestStruct> sourceVector1, destinationVector1;
    FillVector(sourceVector1);
    sw.Restart();
    destinationVector1.insert(destinationVector1.end(),
      sourceVector1.begin(),
      sourceVector1.end());
    cout << "Using insert() :" << sw.ElapsedUs() << endl;

    这是它们的性能:

    赋值: 589.54 us

    insert(): 1321.27 us

    push_back(): 5354.70 us

    我们看到 vector 赋值比 insert() 快了 55.38%,比 push_back() 快了 89% 。

    为什么会这样???

    赋值非常有效率,因为它知道要拷贝的 vector 有多大,然后只需要通过内存管理一次性拷贝 vector 内部的缓存。

    所以,想高效填充 vector,首先应尝试使用 assignment,然后再考虑基于迭代器的 insert(),最后考虑 push_back。当然,如果你需要从其它类型的容器拷贝元素到 vector 中,赋值的方式不可行。这种情况下,只好考虑基于迭代器的 insert()。


    #4 遍历 std::vector 元素的时候,避免使用 std::vector::at() 函数。

    遍历 vector 有如下三种方法:

    1. 使用迭代器

    2. 使用 std::vector::at() 成员函数

    3. 使用下标 – [ ] 运算符

    下面展示了每种用法:

    //Using an iterator
    vector<BigTestStruct> testVectorSum;
    FillVector(testVectorSum);
    sw.Restart();
    int sum = 0;
    for (auto it = testVectorSum.begin(); it != testVectorSum.end(); ++it)
    {
      sum = sum + it->iValue;
    }
    cout << "Using Iterator:" << sw.ElapsedUs() << endl;
      
    //Using the at() member function
    sw.Restart();
    sum = 0;
    for (unsigned i = 0; i < testVectorSum.size(); ++i)
    {
      sum = sum + testVectorSum.at(i).iValue;
    }
    cout << "Using at() :" << sw.ElapsedUs() << endl;
      
    // Using the subscript notation
    sw.Restart();
    sum = 0;
    for (unsigned i = 0; i < testVectorSum.size(); ++i)
    {
      sum = sum + testVectorSum[i].iValue;
    }
    cout << "Using subscripting:" << sw.ElapsedUs() << endl;

    输出是:

    Using Iterator:0
    Using at() :3.73
    Using subscripting:0

    显而易见,用 std::vector::at() 函数访问 vector 元素是最慢的一个。


    #5 尽量避免在 vector 前部插入元素

    任何在 vetor 前部部做的插入操作其复杂度都是 O(n) 的。在前部插入数据十分低效,因为 vector 中的每个元素项都必须为新的项腾出空间而被复制。如果在 vector 前部连续插入多次,那可能需要重新评估你的总体架构。

    做个有趣的尝试,下面是在 std::vector 前部做插入和在 std::list 前部部做插入的对比:

    vector<BigTestStruct> sourceVector3, pushFrontTestVector;
    FillVector(sourceVector3);
    list<BigTestStruct> pushFrontTestList;
    //Push 100k elements in front of the new vector -- this is horrible code !!! 
    sw.Restart();
    for (unsigned i = 1; i < sourceVector3.size(); ++i)
    {
      pushFrontTestVector.insert(pushFrontTestVector.begin(), sourceVector3[i]);
    }
    cout << "Pushing in front of Vector :" << sw.ElapsedUs() << endl;
    // push in front of a list
    sw.Restart();
    for (unsigned i = 0; i < sourceVector3.size(); ++i)
    {
      pushFrontTestList.push_front(sourceVector3[i]);
    }
    cout << "Pushing in front of list :" << sw.ElapsedUs() << endl;

    如果我运行这个测试10,其中使用一个包含100个元素的vector,那么输出结果如下:

    Average of Pushing in front of Vector :11999.4
    Average of Pushing in front of list :20.36

    在 list 前部部插入操作比在 vector 前部部快大约58836%。不用感到奇怪,因为在 list 前部做元素插入的算法,其复杂度为 O(1)。显然,vector 包含元素越多,这个性能测试的结果会越差。

     


    #6 在向 vector 插入元素的时候使用 emplace_back() 而不是 push_back()。

    几乎赶上 C++11 潮流的每个人都明确地认同“安置”这种往 STL 容器里插入元素的方法。理论上来说,“安置”更有效率。然而所有实践都表明,有时候性能差异甚至可以忽略不计。

    思考下面的代码:

    vector<BigTestStruct> sourceVector4, pushBackTestVector, emplaceBackTestVector;
    FillVector(sourceVector4);
    //Test push back performance
    sw.Restart();
    for (unsigned i = 0; i < sourceVector4.size(); ++i)
    {
      pushBackTestVector.push_back(sourceVector4[i]);
    }
    cout << "Using push_back :" << sw.ElapsedUs() << endl;
    //Test emplace_back()
    sw.Restart();
    for (unsigned i = 0; i < sourceVector4.size(); ++i)
    {
      emplaceBackTestVector.emplace_back(sourceVector4[i]);
    }
    cout << "Using emplace_back :" << sw.ElapsedUs() << endl;

    如果运行100次,会得到这样的输出:

    Average Using push_back :5431.58
    Average Using emplace_back :5254.64

    可以清楚的看到,“安置”函数比插入函数性能更好 – 但只有 177 微秒的差距。在所有情况下,他们大致是相当的。

    仅在以下情况下,Emplacement 函数可能会更快:

    1. 要添加的值是在 vector 中构造的,而不是赋值的。

    2. 传递的参数类型与 vector 中保存的类型不同。例如,如果一个向量包含 std :: string,但我们传递一个字符串值到该 vector。

    即使上述两个条件都不成立,如本例所示的,你也不要因为在插入时使用 emplacement 而掉以轻心。
    更多关于 emplacement vs. insertion 的详细信息,请查看 Scott Meyer 的“Effective Modern C++: 42 Specific Ways to Improve Your Use of C++11 and C++14“一书中的条目#42。

    结语

    与任何第三方统计数据一样,你不应盲目地依赖此处提供的结果和建议。在不同的操作系统、处理器体系结构和编译器设置上测试时,你可能遇到很多不确定因素。因此,你需要根据实际数据,自己做出衡量。

    转载:https://blog.csdn.net/imJaron/article/details/77975370

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