提升vector性能的幾個技巧

原文：https://www.sohu.com/a/120595688_465979

Vector 就像是 C++ STL 容器的瑞士軍刀。Bjarne Stoutsoup 有一句話 – “一般情況下，如果你需要容器，就用 vector”。像我們這樣的普通人把這句話當作真理，只需要照樣去做。然而，就像其它工具一樣，vector 也只是個工具，它能提高效率，也能降低效率。

這篇文章中我們可以看到 6 種優化使用 vector 的方法。我們會在最常見的使用 vector 的開發任務中看到有效的方法和無效的方法，並以此衡量有效使用 vector 會帶來怎樣的性能提升，並試圖理解為什么能得到這樣的性能提升。

性能測試的搭建和方法:

• 所有測試都在我的 Surface Book 中運行，這台筆記本擁有主頻 2.6Ghz 的酷睿 i7 處理器，8 GB 內存，安裝了 Windows 10 操作系統並使用 VS2015 C++ 編譯器編譯運行。

• 我們會使用 Stopwatch。這個工具由 Kjell 創建，在 可以找到。

• 我們會運行每個測試 100 次，然后計算平均運行時間來作為依據。運行測試的代碼在。你可以自由下載，用於在你自己的系統中評估 vector 的性能。那里提供的代碼段只反映了一次循環，這讓事件變得簡單。

• 我們在 vector 中存入 TestStruct 結構的數據，並使用 FillVector() 來填充 vector。它們的定義如下。

馬上開始在 C++ 11 中優化 vector 用法的介紹。

#1 提前分配足夠的空間以避免不必要的重新分配和復制周期

程序員喜歡使用 vector，因為他們只需要往向容器中添加元素，而不用事先操心容器大小的問題。但是，如果由一個容量為 0 的 vector 開始，往里面添加元素會花費大量的運行性能。如果你之前就知道 vector 需要保存多少元素，就應該提前為其分配足夠的空間。

這里有一個簡單的示例，往 vector 里添加 1 萬個測試結構的實例——先進行不預分配空間的測試再進行有預分配的測試。

在我的計算機中，未預分配空間的情況用了 5145 微秒(us)，而預分配了空間的情況下只用了 1279 微秒，性能提高了 75.14%！！！

這個情況在 Scott Meyers 的書中得到了很好的解釋，這本書叫 :

“對於 vector 和 string，在需要更多空間的時候，會做與 realloc 等效的事情。這種類似 realloc 的操作有4個步驟：

1. 分別一個新的內存塊，其容量是容器當前容量的數倍。多數實現中，vector 和 string 容量的提升因子在 1.5 和 2 之間。

2. 從容器原來占用的內存中將元素拷貝到新分配的內存中。

3. 釋放原有內存中的對象。

4. 釋放原有內存。

有了所有這些操作：分配、回收、拷貝和釋放，如果說這些步驟（對於性能）極其昂貴，你一點都不應該感到驚訝。當然，你肯定不希望頻繁的進行這樣的操作。如果這還沒有打動你，那么想想每次進行這些步驟的時候，vector 和 string 中所有的迭代器、指針和引用都會失效。這意味着一個簡單的插入操作，對於其它使用了當前 vector 或 string 中的迭代器、指針或引用的數據結構，都有可能引起對它們進行更新。”

2.使用 shrink_to_fit() 釋放 vector 占用的內存， – clear() 或 erase() 不會釋放內存。

與大家所想的相反，使用 erase() 或 clear() 從 vector 中刪除元素並不會釋放分配給 vector 的內存。做個簡單的實驗就可以證明這一點。我們往一個 vector 中添加 100 個元素，然后在這個 vector 上調用 clear() 和 erase()。然后我們可以讓 capacity() 函數告訴我們為這個容器分配的內存可以存入多少元素。

下面是輸出：

從上面的輸出可以看到，erase() 或 clear() 不會減少 vector 占用的內存。如果在代碼中到達某一點，不再需要 vector 時候，請使用 std::vector::shrink_to_fit() 方法釋放掉它占用的內存。

請注意，shrink_to_fit() 可能沒有被所有編譯器供應商完全支持。這種情況下，可以使用“Swap 慣用法”來清空 vector，代碼如下：

container<T>( c ).swap( c ); // shrink-to-fit 慣用法，用於清空存儲空間

container<T>().swap( c ); // 用於清空所有內容和存儲空間的慣用法

如果你對此感興趣，請查看“”一書的條款# 82，其中有針對 swap 慣用法的細節介紹。

3. 在填充或者拷貝到 vector 的時候，應該使用賦值而不是 insert() 或push_back().

從一個 vector 取出元素來填充另一個 vector 的時候，常有三種方法 – 把舊的 vector 賦值給新的 vector，使用基於迭代器的 std::vector::insert() 或者使用基於循環的 std::vector::push_back()。這些方法都展示在下面：

這是它們的性能：

賦值: 589.54 us

insert(): 1321.27 us

push_back(): 5354.70 us

我們看到 vector 賦值比 insert() 快了 55.38%，比 push_back() 快了 89% 。

為什么會這樣???

賦值非常有效率，因為它知道要拷貝的 vector 有多大，然后只需要通過內存管理一次性拷貝 vector 內部的緩存。

所以，想高效填充 vector，首先應嘗試使用 assignment，然后再考慮基於迭代器的 insert()，最后考慮 push_back。當然，如果你需要從其它類型的容器拷貝元素到 vector 中，賦值的方式不可行。這種情況下，只好考慮基於迭代器的 insert()。

4. 遍歷 std::vector 元素的時候，避免使用 std::vector::at() 函數。

遍歷 vector 有如下三種方法：

1. 使用迭代器

2. 使用 std::vector::at() 成員函數

3. 使用下標 – [ ] 運算符

下面展示了每種用法：

輸出是：

顯而易見，用 std::vector::at() 函數訪問 vector 元素是最慢的一個。

5. 盡量避免在 vector 前部插入元素

任何在 vetor 前部部做的插入操作其復雜度都是 O(n) 的。在前部插入數據十分低效，因為 vector 中的每個元素項都必須為新的項騰出空間而被復制。如果在 vector 前部連續插入多次，那可能需要重新評估你的總體架構。

做個有趣的嘗試，下面是在 std::vector 前部做插入和在 std::list 前部部做插入的對比：

如果我運行這個測試10，其中使用一個包含100個元素的vector，那么輸出結果如下：

在 list 前部部插入操作比在 vector 前部部快大約58836%。不用感到奇怪，因為在 list 前部做元素插入的算法，其復雜度為 O(1)。顯然，vector 包含元素越多，這個性能測試的結果會越差。

6. 在向 vector 插入元素的時候使用 emplace_back() 而不是 push_back()。

幾乎趕上 C++11 潮流的每個人都明確地認同“安置”這種往 STL 容器里插入元素的方法。理論上來說，“安置”更有效率。然而所有實踐都表明，有時候性能差異甚至可以忽略不計。

思考下面的代碼：

如果運行100次，會得到這樣的輸出：

可以清楚的看到，“安置”函數比插入函數性能更好 – 但只有 177 微秒的差距。在所有情況下，他們大致是相當的。

僅在以下情況下，Emplacement 函數可能會更快：

1. 要添加的值是在 vector 中構造的，而不是賦值的。

2. 傳遞的參數類型與 vector 中保存的類型不同。例如，如果一個向量包含 std :: string，但我們傳遞一個字符串值到該 vector。

即使上述兩個條件都不成立，如本例所示的，你也不要因為在插入時使用 emplacement 而掉以輕心。

更多關於 emplacement vs. insertion 的詳細信息，請查看 Scott Meyer 的““一書中的條目＃42。

結語

與任何第三方統計數據一樣，你不應盲目地依賴此處提供的結果和建議。在不同的操作系統、處理器體系結構和編譯器設置上測試時，你可能遇到很多不確定因素。因此，你需要根據實際數據，自己做出衡量。