二维数组 vs 一维数组

Question

我已经阅读了关于二维数组与一维数组性能比较的问题 (Performance of 2-dimensional array vs 1-dimensional array)。但是结论中说，二者可能相同（取决于地图自身的映射函数，C语言会自动处理）。...

我有一个矩阵，其中有1,000列和440,000,000行，每个元素都是C#中的双精度浮点数。
如果我在内存中进行一些计算，从性能角度考虑，哪种方法更好？（请注意，我有足够的内存来容纳这么多信息）...

- edgarmtze

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“Monstrous” quantity of information？大约是330MB，这就是浏览器仅打开几个选项卡时所使用的数据量。 - Konrad Morawski

当然，访问一维数组比访问二维数组更快，但如果您需要一个二维数组，则使用一维数组模拟它需要手动进行计算，否则这些计算将自动完成，并且这些计算可能会有相同的时间惩罚。 - Olivier Jacot-Descombes

那么访问一维数组会更快，我只需要执行 *width 操作对吗？ - edgarmtze

作为一般的编程规则，总是更好地追求简单、易懂和逻辑清晰的解决方案。优化往往会导致糟糕和复杂的解决方案。这并不意味着你不能进行优化，但你不应该从一开始就这样做。如果你发现你的代码太慢或者太耗内存，那么稍后再进行优化。如果你的解决方案结构良好，那么以后实施变更应该很容易。 - Olivier Jacot-Descombes

如果您真正将1D数组用作1D数组，并且不必进行索引计算（宽度计算）以便像2D数组一样使用它，则1D数组只会更快。这些计算正是使其变慢的原因。 - Olivier Jacot-Descombes

我很惊讶现在还没有人提到您应该进行性能分析。尝试两种方法，对您的代码进行性能分析并看看哪个更好。唯一真正能回答这个问题的是 您。我们可以整天谈论理论（并且有一些好观点），但最终唯一重要的是，在您实施它时是否会产生实际差异。 - Mike Bailey

Answer 1

如果你问的是哪个更好，一个大小为1000x44000的二维数组还是一个大小为44000000的一维数组，那么在内存方面有什么不同呢？你仍然拥有相同数量的元素！在性能和可读性方面，二维数组可能更好。想象一下，在一维数组中手动查找每个列或行时，而你在二维数组中确切地知道它们在哪里。

- MGZero

Answer 2

这取决于您执行的操作数量。在下面的示例中，我设置了数组的值2500次。数组的大小为（1000 * 1000 * 3）。1D数组花费了40秒，而3D数组花费了1:39分钟。

var startTime = DateTime.Now;
Test1D(new byte[1000 * 1000 * 3]);
Console.WriteLine("Total Time taken 1d = " + (DateTime.Now - startTime));

startTime = DateTime.Now;
Test3D(new byte[1000,1000,3], 1000, 1000);
Console.WriteLine("Total Time taken 3D = " + (DateTime.Now - startTime));

public static void Test1D(byte[] array)
{
    for (int c = 0; c < 2500; c++)
    {
        for (int i = 0; i < array.Length; i++)
        {
            array[i] = 10;
        }
    }
}

public static void Test3D(byte[,,] array, int w, int h)
{
    for (int c = 0; c < 2500; c++)
    {
        for (int i = 0; i < h; i++)
        {
            for (int j = 0; j < w; j++)
            {
                array[i, j, 0] = 10;
                array[i, j, 1] = 10;
                array[i, j, 2] = 10;
            }
         }
     }
}

- bhushan

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这是唯一一个提供证据而非意见的答案！我在以下博客中找到了关于为什么2D数组需要更长时间的解释：https://medium.com/csharp-architects/high-performance-arrays-in-c-2d55c04d37b5 简而言之，当运行时使用特殊的IL指令访问1D数组时，对于nD数组，它需要调用方法。 - Isolin

这确实很有帮助，因为有经验的证据支持。但是当您想要对数组进行更多操作而不仅仅是分配值时，而是想要操作某些值时，您必须执行索引计算。因此，为了进行“公正”的比较测试，您不应该仅在循环中使用i，而应该使用两个循环和位置计算，就像在设置特定值的X、Y、Z点时所做的那样。 我已经这样做了，手动计算索引花费了14.3秒，而使用2D数组只花费了11.8秒。 - OneTrickDragon

Answer 3

double[1000,44000]和double[44000000]之间的差异不会很大。

你可能更适合使用[,]版本（让编译器自行处理寻址）。但是你的计算模式很可能会产生更大的影响（局部性和缓存使用）。

还要考虑数组的数组变体double[1000][]。这是Jitter的已知“特性”，它无法消除[,]数组中的范围检查。

- H H