std::vector与std::array的性能比较

Question

我是一个有用的助手，可以为您进行文本翻译。以下是需要翻译的内容：

我正在研究新的chrono库（C++11），并尝试使用它。我编写了以下两个程序：

vector.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <chrono>

int main()
{
    std::vector<double> vector(1000000, 0.);

    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    for(int i(0); i < vector.size(); i++)
    {
        vector[i] += 1.;
    }
    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();

    std::cout << "Elapsed time: " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end-start).count() << " milliseconds" << std::endl;

    return 0;
}

array.cpp

#include <iostream>
#include <array>
#include <algorithm>
#include <chrono>

int main()
{
    std::array<double, 1000000> array;

    std::fill(array.begin(), array.end(), 0.);

    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    for(int i(0); i < array.size(); i++)
    {
        array[i] += 1.;
    }
    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();

    std::cout << "Elapsed time: " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end-start).count() << " milliseconds" << std::endl;

    return 0;
}

对于数组程序，我获得了9毫秒的执行时间，而对于向量程序，我获得了12毫秒。 std::vector 的速度似乎比 std::array 慢大约33％。 我做得对吗？为什么会有这种差异？

附：我正在使用GCC 4.7和Mac OS X 10.7。

g++-mp-4.7 -std=c++11 vector.cpp -o vector
g++-mp-4.7 -std=c++11 array.cpp -o array

- user1434698

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改为for(int i(0), iMax( vector.size() ); i < iMax; i++)。 - Ylisar

@R.M.，为确保您不会在每次迭代中执行任何额外的工作，您应该为两个版本均执行。 - Lubo Antonov

顺便提一下，您不需要使用 std::fill 来将数组清零，您可以像这样初始化它：std::array<double, 1000000> array{}。 - juanchopanza

你还应该打开优化选项，否则这个练习就完全是学术性的。 - juanchopanza

使用gcc编译器，带有-02时间对我来说是相同的；但是clang编译器会出现错误，并且差异仍然存在。 - Stephan Dollberg

Answer 1

我把你的代码改成了这样：

std::array<double, 1000000> array;

double total = 0;
std::fill(array.begin(), array.end(), 0.);

for (unsigned j = 0; j < 1000; ++j)
{
    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();

    for (unsigned i = 0; i < array.size(); i++)
    {
        array[i] += 1.;
    }

    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    total = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start).count();
}

std::cout << total << " for Array." << std::endl;

std::vector<double> vector(1000000, 0.);
total = 0;

for (unsigned j = 0; j < 1000; ++j)
{
    auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();

    for (unsigned i = 0; i < vector.size(); i++)
    {
        vector[i] += 1.;
    }

    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    total = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start).count();
}

std::cout << total << " for Vector." << std::endl;

我使用-O3的结果：

8123 for Array.
8117 for Vector.

在我看来，两者的速度都相同。

- Nymer

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我确认使用O3选项的您的结果：数组为3005，向量为3018。对于10000个周期：数组为30103，向量为30082。 - user1434698

Answer 2

数字没有启用优化是没有意义的。很可能在您的情况下，对size()的重复调用会产生差异。

- LukeO

Answer 3

std::array 在编译时已知大小，因此内存很可能会在堆栈上分配。

std::vector 使用 std::allocator（它可能使用 `new` 在运行时从自由存储区（也称为堆）中分配内存）。

我认为堆与栈的分配比例为30%是正常的。

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编辑：在liveworkspace.org上运行几次（我知道这不是最科学的测量方法）（std::vector和std::array），我得到了8毫秒对10毫秒的结果。由于所有分配确实都在测量之外，因此我会天真地得出结论，访问堆比访问栈内存慢。如果这通常是正确的，我也不会感到惊讶，因为在堆的情况下有一个额外的间接性。

- rubenvb

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所有的分配都发生在时间窗口之外。 - Marcelo Cantos

很明显它并没有在栈上分配1M个双精度浮点数 - 再猜猜看。 - Lubo Antonov

@lucas1024 你认为 std::array 知道除了栈以外的任何东西吗？ - rubenvb