向量<double>比double*更快,为什么?

6
这是一段关于循环的代码,我已经尝试用 std::vector<double> 和普通的 double* 来编写。在遍历1000万个元素时,std::vector 的版本始终比 double* 的版本快约80%; 对于几乎任何 N 值,vector 的速度都明显更快。查看 GCC STL 源代码,我没有看到 std::vector 执行任何比 double* 更高级的操作(例如,使用普通的 new[] 进行分配,operator [] 进行偏移解引用)。 本问题 也提到了这一点。你有什么想法吗?
Compiler: GCC 4.6.1
Example compile line: g++ -Ofast -march=native -DNDEBUG \
                      -ftree-vectorizer-verbose=2 -o vector.bin \
                      vector.cpp -lrt
OS: CentOS 5
CPU: Opteron 8431
RAM: 128 GB

如果我使用icpc 11.1或在Xeon上运行,结果在质量上是相同的。此外,向量化转储显示只有std::vector构造函数中的填充操作被向量化了。

向量版本:

#include <vector>
#include <iostream>
#include <boost/lexical_cast.hpp>
#include "util.h"
#include "rkck_params.h"

using namespace std;

int main( int argc, char* argv[] )
{
    const size_t N = boost::lexical_cast<size_t>( argv[ 1 ] );

    vector<double> y_old( N );
    vector<double> y_new( N );
    vector<double> y_err( N );
    vector<double> k0( N );
    vector<double> k1( N );
    vector<double> k2( N );
    vector<double> k3( N );
    vector<double> k4( N );
    vector<double> k5( N );

    const double h = 0.5;

    const timespec start = clock_tick();
    for ( size_t i = 0 ; i < N ; ++i )
    {
        y_new[ i ] =   y_old[ i ]
                     + h
                      *(
                           rkck::c[ 0 ]*k0[ i ]
                         + rkck::c[ 2 ]*k2[ i ]
                         + rkck::c[ 3 ]*k3[ i ]
                         + rkck::c[ 5 ]*k5[ i ]
                       );
        y_err[ i ] =  h
                     *(
                          rkck::cdiff[ 0 ]*k0[ i ]
                        + rkck::cdiff[ 2 ]*k2[ i ]
                        + rkck::cdiff[ 3 ]*k3[ i ]
                        + rkck::cdiff[ 4 ]*k4[ i ]
                        + rkck::cdiff[ 5 ]*k5[ i ]
                      );
    }
    const timespec stop = clock_tick();
    const double total_time = seconds( start, stop );

    // Output
    cout << "vector\t" << N << "\t" << total_time << endl;

    return 0;
}

双重指针版本:
注:该段内容涉及IT技术。
#include <iostream>
#include <boost/lexical_cast.hpp>
#include "util.h"
#include "rkck_params.h"

using namespace std;

int main( int argc, char* argv[] )
{
    const size_t N = boost::lexical_cast<size_t>( argv[ 1 ] );

    double* y_old = new double[ N ];
    double* y_new = new double[ N ];
    double* y_err = new double[ N ];
    double* k0 = new double[ N ];
    double* k1 = new double[ N ];
    double* k2 = new double[ N ];
    double* k3 = new double[ N ];
    double* k4 = new double[ N ];
    double* k5 = new double[ N ];

    const double h = 0.5;

    const timespec start = clock_tick();
    for ( size_t i = 0 ; i < N ; ++i )
    {
        y_new[ i ]
            =   y_old[ i ]
              + h
               *(
                    rkck::c[ 0 ]*k0[ i ]
                  + rkck::c[ 2 ]*k2[ i ]
                  + rkck::c[ 3 ]*k3[ i ]
                  + rkck::c[ 5 ]*k5[ i ]
                );
        y_err[ i ]
            =  h
              *(
                   rkck::cdiff[ 0 ]*k0[ i ]
                 + rkck::cdiff[ 2 ]*k2[ i ]
                 + rkck::cdiff[ 3 ]*k3[ i ]
                 + rkck::cdiff[ 4 ]*k4[ i ]
                 + rkck::cdiff[ 5 ]*k5[ i ]
               );
    }
    const timespec stop = clock_tick();
    const double total_time = seconds( start, stop );

    delete [] y_old;
    delete [] y_new;
    delete [] y_err;
    delete [] k0;
    delete [] k1;
    delete [] k2;
    delete [] k3;
    delete [] k4;
    delete [] k5;

    // Output
    cout << "plain\t" << N << "\t" << total_time << endl;

    return 0;
}

rkck_params.h:

#ifndef RKCK_PARAMS_H
#define RKCK_PARAMS_H

namespace rkck
{

// C.f. $c_i$ in Ch. 16.2 of NR in C++, 2nd ed.
const double c[ 6 ]
    = { 37.0/378.0,
        0.0,
        250.0/621.0,
        125.0/594,
        0.0,
        512.0/1771.0 };

// C.f. $( c_i - c_i^* )$ in Ch. 16.2 of NR in C++, 2nd ed.
const double cdiff[ 6 ]
    = { c[ 0 ] - 2825.0/27648.0,
        c[ 1 ] - 0.0,
        c[ 2 ] - 18575.0/48384.0,
        c[ 3 ] - 13525.0/55296.0,
        c[ 4 ] - 277.0/14336.0,
        c[ 5 ] - 1.0/4.0 };

}

#endif

util.h:

#ifndef UTIL_H
#define UTIL_H

#include <time.h>
#include <utility>

inline timespec clock_tick()
{
    timespec tick;
    clock_gettime( CLOCK_REALTIME, &tick );
    return tick;
}

// \cite{www.guyrutenberg.com/2007/09/22/profiling-code-using-clock_gettime}
inline double seconds( const timespec& earlier, const timespec& later )
{
    double seconds_diff = -1.0;
    double nano_diff = -1.0;

    if ( later.tv_nsec < earlier.tv_nsec )
    {
        seconds_diff = later.tv_sec - earlier.tv_sec - 1;
        nano_diff = ( 1.0e9 + later.tv_nsec - earlier.tv_nsec )*1.0e-9;
    }
    else
    {
        seconds_diff = later.tv_sec - earlier.tv_sec;
        nano_diff = ( later.tv_nsec - earlier.tv_nsec )*1.0e-9;
    }

    return seconds_diff + nano_diff;
}

#endif

2
http://punchlet.wordpress.com/2011/07/01/letter-the-eighth-bedevilling-benchmarks/ - R. Martinho Fernandes
@Martinho:我非常赞同,如果想让结果有任何意义,那么真实的测试用例对于性能分析至关重要。 - Hector
可能是std::vector比普通数组慢得多?的重复问题。 - Martin York
1
@Martin:这不是相反的问题吗? - MSalters
@MSalters:我假设人们足够聪明,可以通过反转问题得出相同的答案。 - Martin York
1个回答

6
在向量版本中,您的数据被初始化为零。在“new”版本中,它未初始化,因此可能会执行不同的工作。
您多次运行了吗?顺序不同吗?

1
@Mark Ransom 不是不可能,乘以零可能比乘以随机数快得多。 - Mark B
1
@Hector,你没有说你在使用N时的值是多少,但如果它足够小以适应缓存,通过初始化“预热”缓存肯定会使它更快。这比我关于乘法指令的猜测要合理得多。 - Mark Ransom
@Mark Ransom:我所说的“N”是每个数组中元素的数量;我最开始比较的是N = 1000万,但在相当广泛的范围内差异都很明显。 1000万可能不是你所说的小规模...也许我对内存的理解有误。 - Hector
@Mark Ransom:他的第二句话说“对于1000万个元素”。不太可能在缓存中。然而,内核甚至不会分配页面,直到您第一次触摸它,因此也许一次性触摸所有页面对TLB更加友好(?)。有趣的测试案例。 - Nemo
1
@Nemo,我觉得你说的有道理 - 如果内存已经分配但没有物理映射,映射它将需要一些时间。我开始后悔之前多次给出“测量一下”的建议,因为测量似乎如此困难! - Mark Ransom
显示剩余5条评论

网页内容由stack overflow 提供, 点击上面的
可以查看英文原文,
原文链接