C：使用大量结构体会使程序变慢吗？

Question

我正在编写一个打砖块游戏的克隆版本。我曾经有一个版本，其中只有一层结构。这个版本的运行速度为70帧每秒。

为了使代码更加清晰，我决定代码应该有更多的抽象，并创建了更多的结构体。大多数情况下，我有两到三层深的结构体。这个版本的运行速度为30帧每秒。

由于结构体之外还有其他差异，所以我想问：在C语言中使用很多结构体会显著降低代码的运行速度吗？

例如，在第二个版本中，我使用了：

struct Breakout
{
   Ball ball;
   Paddle paddle;
   Level* levels;
}

struct Level
{
   Bricks* bricks;
}

所以，我经常使用breakout.levels[level_in_play].bricks[i].visible这样的语句。这可能是问题的原因吗？

谢谢。

- nunos

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结构体是否由于值或引用而“深层”？您是否进行动态内存分配？ - WhirlWind

如果您在性能敏感的路径中动态分配内存，那肯定会使程序变慢。我建议对两个代码版本进行快速分析，以了解原因。但是，您需要展示一些代码，而不仅仅是一些数据结构。 - WhirlWind

“我可以运行一个快速的分析吗？”这是什么意思？使用malloc根据砖块数量进行内存分配比使用Bricks bricks [MAX_NUMBER_BRICKS]建立最大值要慢吗？谢谢。 - nunos

WhirlWind 是正确的。对编译后的代码进行性能分析。我建议先只对你的“struct”版本进行分析，看看是否能够发现问题，然后再使用“非结构体”版本进行第二次分析，以查看性能变化的位置。我猜测问题可能出在你的代码中的其他地方，或者与重复在错误的位置分配过多内存（或复制对象、按值传递等）有关。 - Allbite

你是怎么在一个打砖块游戏中遇到性能问题的？ - Trillian

Answer 1

大量使用指针解引用可能会影响性能。当你将一个大结构体拆分成小结构体时，会发生两件事情：

1. 访问子结构体成员需要额外的指针解引用和内存获取，稍微慢一些；
2. 可能会降低局部性原理，导致更多的缓存未命中和页面故障，严重降低性能。

局部性原则可能是你这里遇到的问题。如果可能，尽量在同一个malloc块中分配相关结构体，这会增加它们被一起缓存的可能性。

- Daniel Pryden

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你是否曾经发现指针解引用是性能问题的根源？当然，它会导致微小的、几乎无限小的额外工作量，但我认为除非你对每个操作都进行了数十亿次的解引用，否则指针解引用永远不会成为问题。优化过早可能会导致性能下降，唯一的方法是进行分析。 - Allbite

@Allbite：显然我没有表达清楚。它不是解引用可能导致性能损失（至少不太可能——我确定有一些边缘情况很重要），而是你可能会将密切相关的数据放在内存中的不同位置。当然，对应用程序进行分析很重要，但是参考局部性问题可能很难通过运行分析器来发现，因为分析器已经通过附加影响了性能和参考局部性。 - Daniel Pryden

Answer 2

首先，猜测问题是容易且有诱惑力的。猜测的麻烦之处在于 - 有时候它们是正确的。但既然可以找出确切的问题所在，为什么还要猜测呢？我推荐这种方法。 话虽如此，我猜测可能是 malloc 和 free 在汇编语言级别上单步执行时会做更多的事情。如果我知道我不会经常分配结构体的内存，我只会为结构体分配内存。如果我必须以高频率动态分配/释放它们，则有一个已使用副本的空闲列表会有所帮助，这样我就可以从列表中获取它们而不是一直调用 malloc。

尽管如此，请获取一些栈快照。很有可能您可以解决一系列问题并使其运行速度更快。

- Mike Dunlavey

Answer 3

添加额外的解引用层可能会导致轻微的（非常轻微的）性能损耗。原因是编译器看到每个 -> 都意味着它必须进行额外的内存查找和偏移量计算。例如，c->b->a 需要将指针 c 加载到内存中，引用它，偏移至 b，解引用它，偏移至 a，然后解引用它，最后将 a 加载到内存中。 这需要相当多的内存工作。而 c.b.a 只需要加载 c，一个加法操作，然后直接从内存中加载 a。这是 2 次加载与 5 次加载的区别。

除非在小而紧密的循环中大量执行此类操作，否则不会对时间造成影响。如果您正在重度内部循环中执行此操作（且编译器没有帮助您），那么它可能会累积起来。对于这些情况，请考虑缓存最低级别的结构体指针并从那里开始操作。

话虽如此，任何时候提到性能，第一步都是进行分析。没有分析，您就在瞎猜。您已经声明了结构解引用是性能问题的根源，但是如果没有最新的有效分析（在发布版本上），那么您就是在瞎猜，可能会浪费时间。

- Michael Dorgan

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+1 - 根据我的经验，结构体引起大幅度的减速是不太可能的，但也不是完全不可能。请进行性能分析。 - Steve Rowe

Answer 4

在编程中，不是“大量结构体”本身会导致问题，而是可能会增加内存访问的次数。然而，“大量间接引用”更有可能是问题的原因。您必须考虑到达实际数据需要生成多少内存访问。数据的接近性和大小也可能影响缓存，但这更难分析。

另外，由于您在评论中提到正在执行动态内存分配，因此查找和分配块所需的时间是不确定和可变的。如果您在算法执行期间重复分配和释放块（而不是例如在初始化时进行预分配），这可能会导致性能下降和变化。

如果您有性能分析工具，请对代码进行分析以查看性能损失发生的位置。

- Clifford