为什么分配堆内存比分配栈内存快得多？

Question

我尝试在堆内存和栈内存中为10^7个整数分配空间，以查看哪种方式更快。显然，在堆内存中分配速度更快，但我不理解原因。

#include <bits/stdc++.h>
#include <chrono>

using namespace std;
using namespace std::chrono;

int main()
{
  high_resolution_clock::time_point t1 = high_resolution_clock::now();

  int *p = new int[1e7];

  high_resolution_clock::time_point t2 = high_resolution_clock::now();
  auto duration = duration_cast<microseconds>( t2 - t1 ).count();
  cout << duration / 1e6 << "\n"; // 5e-06



  t1 = high_resolution_clock::now();

  vector<int> v(1e7);

  t2 = high_resolution_clock::now();
  duration = duration_cast<microseconds>( t2 - t1 ).count();
  cout << duration / 1e6 << "\n"; // 0.112284

  return 0;
}

- Omar Yasser

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你认为在堆栈上为10^7个整数分配空间的位置在哪里？ - Sneftel

为什么不应该包含bits/stdc++.h？包含bits/stdc++.h可能会使编译时间变慢，并且这是不可移植的，因为它依赖于特定的实现。此外，它将包含整个标准库，而您可能只需要其中一部分。建议显式地包含所需的头文件。 - Aconcagua

关于使用命名空间std的问题 - Aconcagua

@ReticulatedSpline 然而，直到您尝试写入该内存时，操作系统才会实际保留该内存。 这是Linux（和其他一些操作系统）的“特性”，如果您重视系统稳定性，可以禁用它。 - Andrew Henle

std::vector 也会在堆上分配其数据！只有少数成员变量，包括指针，实际上驻留在堆栈上；尝试使用 sizeof(std::vector<int>)，以获取实际分配在堆栈上的字节数... - Aconcagua

Answer 1

new int[1e7] 为1e7个int值分配空间，但不初始化它们。

vector<int> v(1e7); 创建一个vector<int>对象在堆栈上，并且该对象的构造函数在堆上为1e7个int值分配空间。同时将每个int值初始化为0。

要比较堆栈分配的速度，您需要在堆栈上分配一个数组：

int data[1e7];

但需要注意的是：这可能会失败，因为堆栈不足以容纳这么大的数组。

- Pete Becker

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你做得太棒了！ - Tanveer Badar

Answer 2

我是一个初学者，但是让我来说出我主要理解的内容以测试自己。

在

int *p = new int[1e7];

您正在堆上为1千万个整数分配连续的内存。

在

vector<int> v(1e7);

您正在为一个vector<int>对象在堆栈上分配内存。该对象的成员之一是指向堆上的一个int [1e7]的指针，也被分配了内存。此外，其中的所有值都使用int()（0）的值进行初始化。详情请参见std::vector的构造函数(2)。

- embeddedPy

Answer 3

其他答案指出，向量构造函数中至少存在一个“隐藏”的初始化过程。

但是您的示例还有另一个问题：在C ++中对未经优化的代码进行基准测试几乎毫无意义，并且适当地计时优化后的代码是很困难的。

让我们来看看您（为了可读性而修改）的示例，使用Clang编译并启用-O3优化级别：godbolt链接。

double test1() {
  high_resolution_clock::time_point t1 = high_resolution_clock::now();

  int *p = new int[1e7];

  high_resolution_clock::time_point t2 = high_resolution_clock::now();
  auto duration = duration_cast<microseconds>( t2 - t1 ).count();
  return duration / 1e6; // 5e-06
}

编译成：

test1():                              # @test1()
        push    rbx
        call    std::chrono::_V2::system_clock::now()
        mov     rbx, rax
        call    std::chrono::_V2::system_clock::now()
        sub     rax, rbx
        movabs  rcx, 2361183241434822607
        imul    rcx
        mov     rax, rdx
        shr     rax, 63
        sar     rdx, 7
        add     rdx, rax
        cvtsi2sd        xmm0, rdx
        divsd   xmm0, qword ptr [rip + .LCPI0_0]
        pop     rbx
        ret
.LCPI1_0:
        .quad   4696837146684686336     # double 1.0E+6

第一部分甚至没有调用operator new！编译器通过程序并意识到您从未使用已分配的数组，因此它会从生成的可执行文件中删除该分配。

因此，当使用这种设置编译时，您的程序的第一部分根本不会在堆上分配数组，从而使测量结果无意义。

我建议您阅读有关基准测试的内容，并使用专业的微基准测试框架进行此类测试。请查看Google Benchmark（以及在线QuickBench）和其文档。

- Serikov

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我喜欢你在这里的回答，它提出了一个重要观点——我认为你说“在C++中对未经优化的代码进行基准测试几乎没有意义”，因为最终你可能会允许编译器优化代码。如果是这个意思，可能有所帮助。但如果你从不打算进行优化，那么基准测试可能就是你想要的。 - villaa

Answer 4

我想指出，在运行时，堆栈分配不需要任何时间；所有工作都由编译器完成。 无论优化情况如何，比较都是毫无意义的。

- Vlad Feinstein