为什么在我的机器上，std::vector的分配和释放比动态数组慢？

Question

我曾认为std::vector只是动态数组的一个简单封装，因此它们的性能应该相当。互联网和stackoverflow本身也给出了同样的答案。然而，当我自己测试时，发现有很大的差异。以下是代码。我尝试了VC++ 2012（发布版本）和带有优化标志-O2的MinGW。

new、malloc和calloc的时间约为0.005秒，而std::vector在两个编译器上都需要0.9秒。std::vector本质上很慢吗？还是我的代码有严重缺陷？

#define _SCL_SECURE 0
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <vector>
#include <time.h>

struct timer
{
    clock_t start;
    timer()
    {
        start=clock();
    }
    ~timer()
    {
        double t=static_cast<double>(clock()-start)/CLOCKS_PER_SEC;
        printf("%lf\n", t);
    }
};

int main()
{
    const size_t len=(1<<28);   
    {
        timer t;
        int *d=new int[len];
        printf("%d\n",d[len-1]);//prevent compiler from optimizing away 
                                //useless allocation and deallocation
        delete[] d;
    }
    {
        timer t;
        int *d=(int *)malloc(len*sizeof(int));
        printf("%d\n", d[len-1]);
        free(d);
    }

    {
        timer t;
        std::vector<int> d(len);
        printf("%d\n", d[len-1]);
    }
    {
        timer t;
        int *d=(int *)calloc(len, sizeof(int));
        printf("%d\n", d[len-1]);
        free(d);
    }

    return 0;
}

编辑 1

按建议，我尝试了创建动态数组的其他方式。

• new：为0.005
• malloc：为0.005
• calloc：为0.005
• malloc+memset：为1.244
• vector(len)：为1.231
• vector(len, 0)：为1.234
• vector.reserve(len)：为0.005

因此，罪魁祸首确实是零初始化而不是分配或释放内存。这意味着，如果需要一个零初始化的数组，即使vector具有默认初始化所有元素的构造函数，也不能使用它。

此外，这不仅仅是我的想法。我的一门课程的最终项目是根据所花费的时间评分的，我使用了几个 vector 来分配一个巨大的内存缓冲区，而不是使用new来保证异常安全性，并且我们的教科书鼓励使用STL。直到今天我才意识到由于这个原因我失去了一些分数。很遗憾。

编辑 2

今天我在Ubuntu 13.04 x64上尝试了Clang 3.2，而std :: vector现在不再需要花费那么长时间进行初始化。事实上，vector现在是最快的！也许这真的是编译器优化问题，而不是std :: vector设计本身的问题。

- Siyuan Ren

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你不应该运行测试数千次以上（如果可能的话）吗？ - Son-Huy Pham

使用GCC 4.8.1和 -O3，情况甚至更糟。除了向量外，其他所有内容的时间都是0.000000（第二次运行链接时，向量时间相对较低）。 - chris

你应该比较执行相同功能的代码（例如，你是否阅读了向量文档？）。你应该比较没有未定义行为的代码。 - R. Martinho Fernandes

vector 和其他代码的重要区别在于，vector 在初始化内存时会将其清零，而其他代码则不会（除了 calloc）。如果您将 new 替换为 new int[len]()，它会与 vector 执行相同的时间。我认为 calloc 在某种程度上进行了优化（例如，它可能会请求清零的内存，而不是显式地清零内存本身）。 - Mankarse

你认为 #define _SCL_SECURE 0 是什么意思？ - James McNellis

Answer 1

我认为这是由于std::vector的分配会对每个元素调用复制构造函数，而malloc仅返回未初始化的内存。

std::vector<int> x(100); 

实际上等同于：

std::vector<int> y(100, int()); 

请参阅std :: vector构造函数的文档：http://en.cppreference.com/w/cpp/container/vector/vector 我经常会像这样做：

std::vector<int> x; 
x.reserve(100);
// Insert items into x via x.push_back()

- JoeD

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在C++11（和Visual C++ 2012）中，“std::vector<T> x(100);”与“std::vector<T> y(100, T())”不同。前者默认构造100个元素，而后者从给定的“T()”参数复制构造100个元素。（对于“int”类型，效果相同，但对于所有类型都是如此的情况并非如此。） - James McNellis

对于原始类型，new 和 malloc 或 calloc 是相同的吗？ - Siyuan Ren

@JamesMcNellis：现在我对 C++ 的怪癖有了更多的理解，我发现你措辞上有一个错误。在 C++11 中，std::vector 会 value 初始化其内容，而不是 default 初始化。 - Siyuan Ren

Answer 2

printf("%d\n",d[len-1]);//prevent compiler from optimizing away 

这行代码从一个未初始化的对象中读取数据。与其阻止编译器进行优化，它给了编译器自由发挥的空间（即程序的行为是未定义的）。

假设我们已经修复了这个问题，现在程序的行为是明确定义的（可能我们添加了一行代码来初始化d[len-1]）。

std::vector<int> d(len);

这一行初始化了len个值为0的对象。而另一行则没有：

int *d=new int[len];

唯一另一个导致len对象值为0的行是这个：

int *d=(int *)calloc(len, sizeof(int));

唯一可以从与分配和释放性能相关的基准测试中得出的结论是，该基准测试不适合得出与分配和释放性能相关的结论。

- R. Martinho Fernandes

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我知道它从未初始化的内存中读取。但实际上我并不需要这个值（可能是剩余的任何字节）。除了打印出随机值而不是零，它可能是什么“未定义”行为？ - Siyuan Ren

“谁知道呢”，你认为“未定义”是什么意思？它并不意味着“被定义为剩余的任何字节”。它的意思是“未定义”。 - R. Martinho Fernandes

据我所知，从未初始化的内存中读取数据并不是未定义行为。如果我有误请纠正我，但我一直认为从未初始化的内存块中读取数据被定义为返回任何值（例如一个随机的二进制序列）。 - yyny

在这个例子中，它不是未定义行为，因为这个变量不能被优化为“寄存器”：https://dev59.com/v2ct5IYBdhLWcg3wmOng - Victor Sergienko

@Victor，这是UB，因为标准规定它是UB。变量可以被“优化为register”，因为它是UB。这就是UB的含义：任何事情都可能发生，包括变量“优化为register”。 - R. Martinho Fernandes