常量指针数组或数组指针？在C语言中哪个更快？

Question

你好，我现在处于一个中间的C类水平，我突然想到了这个问题：

int multi[3][4]; // const multidimensional array

int* ptr = *multi; // ptr is a pointer variable that hold the address of multi const array

所以，访问多维数组位置时，哪种方法更快/更小/更优化呢？

这个：

代码：

multi[3][1]; // index the value position

或者

*(*(multi+2)+1); // pointer to the position on the array

或者（已更新）

ptr += 9; // pointer arithmetic using auxiliary pointer

由于“multi”是一个常量数组，编译器应该已经“知道”元素位置的本地化信息。如果使用指向该数组的变量指针，在寻找要显示的项目时可能需要更多的处理时间，但另一方面，可以更快地搜索所需的项目。哪种方法更快/更小/更优化？

提前感谢您的帮助。

- Mariz Melo

---

你应该更关注代码的可读性。大多数人没有意识到，在C语言中，你不能回答“纳秒”级别的性能比较问题。虽然你可以回答这样的问题，但你必须指定一个实现（或一组实现）。 - Khaled Alshaya

即使有性能提升的可能，我也怀疑是否存在，还是选择可读性更好的版本。"过早优化是万恶之源" -Knuth - Clinton Pierce

C语言已经是一个很难处理的语言了，你为什么还想让它更难呢？ - David Heffernan

好吧，有人应该对我的教授说这个。他的话是：1. *(ptr+1) 是作弊；2. 你永远不应该使用 arr[row][col]；等等。 - Mariz Melo

@Maris Melo: 叹气。这是反对使用C作为教学语言的又一个论据；已经形成的民间传说、错误信息和简直糟糕的实践数量惊人。许多学生遇到C语言问题的原因是因为通常教学不好。告诉你的教授编写代码并分析不同版本的性能，他可能会感到惊讶。 - John Bode

因为我就是放不下，所以我写了一个小程序来遍历一个二维数组，一次使用索引，一次使用指针算术，并对其进行了分析。在我的系统上，使用下标比使用指针算术始终更快，速度提高了20%以上。太多人像你的教授一样“知道”巧妙的代码比直接的版本“更快”，但往往他们是错的。 - John Bode

Answer 1

他们都是以同样的方式编译的：*(指向第一个元素的指针 + x + y)。

- BlackBear

---

使用常规下标运算符（对于该代码和编译器设置）产生了最少的指令。 - John Bode

@john：我猜我的7个赞中有5个应该是给你的.. ;) 我之前也做过一些关于单维数组的工作，生成的汇编代码也是一样的，所以我认为对于二维数组来说，汇编代码也应该是一样的。 - BlackBear

Answer 2

首先

int multi[3][4];

这不是一个 const 数组。在这个声明中没有任何 const。

其次，

int* ptr = *multi;

这将使得ptr指向元素multi[0][0]。从数值上来说，它与multi[0]和整个multi的地址相同，但类型是不同的。

第三点，

multi[3][1];

根据定义，它与

是相同的。

*(*(multi + 3) + 1);

因此，性能上不应该有任何合理的差异。它与上述内容的联系并不清楚。

第四点，

*ptr + 9;

它完全没有“指针算术”功能。这相当于

multi[0][0] + 9;

这是一个普通的整数加法。然而，它与上述内容的联系并不清楚。

最后，你的问题标题为“常量指针数组或指向数组的指针”，但在实际问题文本中我没有看到这两个概念。

- AnT stands with Russia

---

关于ptr + 9，值得一提的是它不包含指针算术运算，因为一元运算符的优先级高于二元+。如果代码是ptr ++，那么它将包含指针算术运算。++的优先级与相等，但在这种情况下，操作符从右到左进行求值。这些规则并不简单，所以您不应该依赖操作符优先级，而应该在一行上混合多个操作符时使用括号。 - Lundin

这是标准使它变得过于复杂了。其实我不正确，postfix ++的优先级高于*，我把后缀优先级与前缀优先级混淆了。我的观点是，这些运算符优先级规则很难跟踪，所以要使用括号！不要依靠它们，也不要假设程序员知道它们或记住它们。 - Lundin

@Andrey 你关于分组的观点是正确的，尽管它们是运算符优先级规则的一部分。请参考ISO 9899:1999 6.5 $3中的说明：“运算符和操作数的分组由语法指示。74)”，注释74：“语法规定了表达式求值中运算符的优先级，其顺序与本子句的主要子子句的顺序相同，最高优先级在前。” - Lundin

@Lundin: 但这正是我所说的。 语言的“语法”就是它的语法。 语法定义了分组和优先级。 优先级通常是非线性的，这意味着通常无法根据它们的优先级将所有运算符按顺序排列。 这就是为什么您在标准中找不到任何“运算符优先级表”的原因。 - AnT stands with Russia

@Lundin：基本上，这个笔记完整地表达了我一直以上所说的话，逐字逐句。您试图通过向我展示这个笔记来证明什么并不立即清晰。 - AnT stands with Russia

Answer 3

无论你的代码有多快，如果因为没有人能够理解和维护它而被抛弃，那就毫无意义；此外，复杂的代码有时会阻止编译器进行更好的优化。

例如：

int main(void)
{
  int arr[3][4] = {{0,1,2,3},{4,5,6,7},{8,9,10,11}};
  int *p = *arr; // == arr[0] == &arr[0][0]

  int x;

  x = arr[2][3];         // Straightforward array access
  x = *(*(arr+2)+3);     // Ugly pointer arithmetic
  x = *(ptr + 11);       // Slightly less ugly pointer arithmetic

  return 0;
}

我通过 gcc -c -g -Wa,-a,-ad > foo.lst 运行了上述代码，以获取生成的汇编和源代码交错的结果。

以下是 x = arr[2][3]; 的翻译：

movl      -16(%ebp), %eax     
movl      %eax, -8(%ebp)      

这是 x = *(*(arr+2)+3); 的翻译：

leal      -60(%ebp), %eax
addl      $44, %eax
movl      (%eax), %eax
movl      %eax, -8(%ebp)

最后，x = *(ptr + 11);的翻译如下：

movl      -12(%ebp), %eax
addl      $44, %eax
movl      (%eax), %eax
movl      %eax, -8(%ebp)

不要试图比编译器更聪明。现在已经不是1970年代了。gcc知道如何高效地访问数组，而无需您告诉它。

除非您已经调整了算法和数据结构，使用了编译器的最高优化设置（值得一提的是，-O1为所有三个版本生成相同的代码），并且仍然无法满足硬性性能要求（在这种情况下，正确的答案通常是购买更快的硬件），否则您甚至不应该考虑性能问题。在没有通过分析器找到真正瓶颈之前，不要更改任何内容。 测量，不要猜测。

编辑

当文字2和3被变量替换时，情况会发生变化。在这种情况下，*(ptr + offset);看起来最好。但差别不大。我仍然认为，在这个层面上，清晰度更重要。

- John Bode

Answer 4

a[i]的意思是*(a+i)，实际上你也可以写成i[a]，编译器也会接受。

从理论上讲，*(ptr+i)可能比ptr[j][k]稍微快一点，因为你只进行了一次加法运算（而ptr[j][k]可能需要2次）。

- peoro

---

a[i] 的意思是 *(a+i) 而不是 (a+i)。 - Prasoon Saurav

Answer 5

我不确定const数组是从哪里来的，但为了讨论，让我们假设原帖中有一些。

由于原帖作者没有明确提到PC编程，因此const数组和常规数组不一定以相同的方式编译。

在嵌入式系统中，如果const数组分配在真正的非易失性存储器中，即具有真正ROM的嵌入式应用程序中，const数组可能比非const数组慢。慢速与ROM的访问时间有关，并且高度依赖于硬件。

---

关于指针算术运算，那是访问数组的唯一方式。在C语言中，数组语法被编译器人员称为“语法糖”，也就是说它只是为了好看而存在。像这样的数组访问：

arr[i]

被编译器转换为

*(arr+i)

它们在性能和功能上是等效的。

- Lundin