Java 使用数组比 C++ 中的 std::vector 快 8 倍。我做错了什么？

Question

我有以下 Java 代码，其中包含几个从不改变其大小的大数组。在我的电脑上运行需要 1100 毫秒。

我用 C++ 实现了相同的代码并使用了 std::vector。

运行完全相同代码的 C++ 实现时间在我的计算机上是 8800 毫秒。我做错了什么，所以运行这么慢？

代码基本上执行以下操作：

for (int i = 0; i < numberOfCells; ++i) {
        h[i] =  h[i] + 1;
        floodedCells[i] =  !floodedCells[i];
        floodedCellsTimeInterval[i] =  !floodedCellsTimeInterval[i];
        qInflow[i] =  qInflow[i] + 1;
}

它遍历大小约为 20000 的不同数组。

您可以在以下链接下找到这两种实现：

Java: https://ideone.com/R8KqjT
C++：https://ideone.com/Lu7RpE

（在ideone上我因为时间限制只能运行循环400次而不是2000次。但即使在这里也有3次的差异）

Answer 1

是的，c++ 版本中的缓存受到重创。 JIT 似乎更适合处理这个问题。

如果您将 isUpdateNeeded() 中的外部 for 更改为较短的代码段。差异消失了。

下面的示例产生了 4 倍的加速。

void isUpdateNeeded() {
    for (int i = 0; i < numberOfCells; ++i) {
        h[i] =  h[i] + 1;
        floodedCells[i] =  !floodedCells[i];
        floodedCellsTimeInterval[i] =  !floodedCellsTimeInterval[i];
        qInflow[i] =  qInflow[i] + 1;
        qStartTime[i] =  qStartTime[i] + 1;
        qEndTime[i] =  qEndTime[i] + 1;
    }

    for (int i = 0; i < numberOfCells; ++i) {
        lowerFloorCells[i] =  lowerFloorCells[i] + 1;
        cellLocationX[i] =  cellLocationX[i] + 1;
        cellLocationY[i] =  cellLocationY[i] + 1;
        cellLocationZ[i] =  cellLocationZ[i] + 1;
        levelOfCell[i] =  levelOfCell[i] + 1;
        valueOfCellIds[i] =  valueOfCellIds[i] + 1;
        h0[i] =  h0[i] + 1;
        vU[i] =  vU[i] + 1;
        vV[i] =  vV[i] + 1;
        vUh[i] =  vUh[i] + 1;
        vVh[i] =  vVh[i] + 1;
    }
    for (int i = 0; i < numberOfCells; ++i) {
        vUh0[i] =  vUh0[i] + 1;
        vVh0[i] =  vVh0[i] + 1;
        ghh[i] =  ghh[i] + 1;
        sfx[i] =  sfx[i] + 1;
        sfy[i] =  sfy[i] + 1;
        qIn[i] =  qIn[i] + 1;
        for(int j = 0; j < nEdges; ++j) {
            neighborIds[i * nEdges + j] = neighborIds[i * nEdges + j] + 1;
        }
        for(int j = 0; j < nEdges; ++j) {
            typeInterface[i * nEdges + j] = typeInterface[i * nEdges + j] + 1;
        }
    }

}

这在合理程度上表明缓存未命中是速度下降的原因。同样重要的是要注意变量是不相关的，因此很容易创建线程解决方案。

订单已恢复

根据 stefans 的评论，我尝试使用原始大小将它们分组到一个结构中。这以类似的方式消除了即时缓存压力。结果是c++(CCFLAG -O3)版本比java版本快15%左右。

Varning 既不矮也不漂亮。

#include <vector>
#include <cmath>
#include <iostream>
 
 
 
class FloodIsolation {
    struct item{
      char floodedCells;
      char floodedCellsTimeInterval;
      double valueOfCellIds;
      double h;
      double h0;
      double vU;
      double vV;
      double vUh;
      double vVh;
      double vUh0;
      double vVh0;
      double sfx;
      double sfy;
      double qInflow;
      double qStartTime;
      double qEndTime;
      double qIn;
      double nx;
      double ny;
      double ghh;
      double floorLevels;
      int lowerFloorCells;
      char flagInterface;
      char floorCompletelyFilled;
      double cellLocationX;
      double cellLocationY;
      double cellLocationZ;
      int levelOfCell;
    };
    struct inner_item{
      int typeInterface;
      int neighborIds;
    };

    std::vector<inner_item> inner_data;
    std::vector<item> data;

public:
    FloodIsolation() :
            numberOfCells(20000), inner_data(numberOfCells * nEdges), data(numberOfCells)
   {

    }
    ~FloodIsolation(){
    }
 
    void isUpdateNeeded() {
        for (int i = 0; i < numberOfCells; ++i) {
            data[i].h = data[i].h + 1;
            data[i].floodedCells = !data[i].floodedCells;
            data[i].floodedCellsTimeInterval = !data[i].floodedCellsTimeInterval;
            data[i].qInflow = data[i].qInflow + 1;
            data[i].qStartTime = data[i].qStartTime + 1;
            data[i].qEndTime = data[i].qEndTime + 1;
            data[i].lowerFloorCells = data[i].lowerFloorCells + 1;
            data[i].cellLocationX = data[i].cellLocationX + 1;
            data[i].cellLocationY = data[i].cellLocationY + 1;
            data[i].cellLocationZ = data[i].cellLocationZ + 1;
            data[i].levelOfCell = data[i].levelOfCell + 1;
            data[i].valueOfCellIds = data[i].valueOfCellIds + 1;
            data[i].h0 = data[i].h0 + 1;
            data[i].vU = data[i].vU + 1;
            data[i].vV = data[i].vV + 1;
            data[i].vUh = data[i].vUh + 1;
            data[i].vVh = data[i].vVh + 1;
            data[i].vUh0 = data[i].vUh0 + 1;
            data[i].vVh0 = data[i].vVh0 + 1;
            data[i].ghh = data[i].ghh + 1;
            data[i].sfx = data[i].sfx + 1;
            data[i].sfy = data[i].sfy + 1;
            data[i].qIn = data[i].qIn + 1;
            for(int j = 0; j < nEdges; ++j) {
                inner_data[i * nEdges + j].neighborIds = inner_data[i * nEdges + j].neighborIds + 1;
                inner_data[i * nEdges + j].typeInterface = inner_data[i * nEdges + j].typeInterface + 1;
            }
        }
 
    }
 
    static const int nEdges;
private:
 
    const int numberOfCells;

};
 
const int FloodIsolation::nEdges = 6;

int main() {
    FloodIsolation isolation;
    clock_t start = clock();
    for (int i = 0; i < 4400; ++i) {
        if(i % 100 == 0) {
            std::cout << i << "\n";
        }
        isolation.isUpdateNeeded();
    }

    clock_t stop = clock();
    std::cout << "Time: " << difftime(stop, start) / 1000 << "\n";
}

我的结果与 Jerry Coffins 的原始尺寸略有不同。对我来说，差异仍然存在。这可能是我的 java 版本，1.7.0_75.

Answer 2

正如@Stefan 在对@CaptainGiraffe 的回答的评论中猜测的那样，通过使用结构向量而不是向量结构，您可以获得相当多的收益。更正后的代码如下所示：

#include <vector>
#include <cmath>
#include <iostream>
#include <time.h>

class FloodIsolation {
public:
    FloodIsolation() :
            h(0),
            floodedCells(0),
            floodedCellsTimeInterval(0),
            qInflow(0),
            qStartTime(0),
            qEndTime(0),
            lowerFloorCells(0),
            cellLocationX(0),
            cellLocationY(0),
            cellLocationZ(0),
            levelOfCell(0),
            valueOfCellIds(0),
            h0(0),
            vU(0),
            vV(0),
            vUh(0),
            vVh(0),
            vUh0(0),
            vVh0(0),
            ghh(0),
            sfx(0),
            sfy(0),
            qIn(0),
            typeInterface(nEdges, 0),
            neighborIds(nEdges, 0)
    {
    }

    ~FloodIsolation(){
    }

    void Update() {
        h =  h + 1;
        floodedCells =  !floodedCells;
        floodedCellsTimeInterval =  !floodedCellsTimeInterval;
        qInflow =  qInflow + 1;
        qStartTime =  qStartTime + 1;
        qEndTime =  qEndTime + 1;
        lowerFloorCells =  lowerFloorCells + 1;
        cellLocationX =  cellLocationX + 1;
        cellLocationY =  cellLocationY + 1;
        cellLocationZ =  cellLocationZ + 1;
        levelOfCell =  levelOfCell + 1;
        valueOfCellIds =  valueOfCellIds + 1;
        h0 =  h0 + 1;
        vU =  vU + 1;
        vV =  vV + 1;
        vUh =  vUh + 1;
        vVh =  vVh + 1;
        vUh0 =  vUh0 + 1;
        vVh0 =  vVh0 + 1;
        ghh =  ghh + 1;
        sfx =  sfx + 1;
        sfy =  sfy + 1;
        qIn =  qIn + 1;
        for(int j = 0; j < nEdges; ++j) {
            ++typeInterface[j];
            ++neighborIds[j];
        }       
    }

private:

    static const int nEdges = 6;
    bool floodedCells;
    bool floodedCellsTimeInterval;

    std::vector<int> neighborIds;
    double valueOfCellIds;
    double h;
    double h0;
    double vU;
    double vV;
    double vUh;
    double vVh;
    double vUh0;
    double vVh0;
    double ghh;
    double sfx;
    double sfy;
    double qInflow;
    double qStartTime;
    double qEndTime;
    double qIn;
    double nx;
    double ny;
    double floorLevels;
    int lowerFloorCells;
    bool flagInterface;
    std::vector<int> typeInterface;
    bool floorCompleteleyFilled;
    double cellLocationX;
    double cellLocationY;
    double cellLocationZ;
    int levelOfCell;
};

int main() {
    std::vector<FloodIsolation> isolation(20000);
    clock_t start = clock();
    for (int i = 0; i < 400; ++i) {
        if(i % 100 == 0) {
            std::cout << i << "\n";
        }

        for (auto &f : isolation)
            f.Update();
    }
    clock_t stop = clock();
    std::cout << "Time: " << difftime(stop, start) / 1000 << "\n";
}

使用 VC++ 2015 CTP 的编译器编译，使用 -EHsc -O2b2 -GL -Qpar，我得到如下结果：

0
100
200
300
Time: 0.135

使用 g++ 编译产生的结果稍慢：

0
100
200
300
Time: 0.156

在相同的硬件上，使用来自 Java 8u45 的 compiler/JVM，我得到如下结果：

0
100
200
300
Time: 181

这比 VC++ 的版本慢了大约 35%，比 g++ 的版本慢了大约 16%。

如果我们将迭代次数增加到所需的 2000 次，差异将下降到仅 3%，这表明在这种情况下 C++ 的部分优势只是加载速度更快（Java 的一个长期存在的问题), 并不是真正在执行本身。在这种情况下，这并不让我感到惊讶——正在测量的计算（在发布的代码中）是如此微不足道，以至于我怀疑大多数编译器是否可以做很多事情来优化它。

Answer 3

这是将每个节点的数据收集到一个结构中的 C++ 版本，并使用了该结构的单个向量：

#include <vector>
#include <cmath>
#include <iostream>



class FloodIsolation {
public:
  FloodIsolation() :
      numberOfCells(20000),
      data(numberOfCells)
  {
  }
  ~FloodIsolation(){
  }

  void isUpdateNeeded() {
    for (int i = 0; i < numberOfCells; ++i) {
       data[i].h = data[i].h + 1;
       data[i].floodedCells = !data[i].floodedCells;
       data[i].floodedCellsTimeInterval = !data[i].floodedCellsTimeInterval;
       data[i].qInflow = data[i].qInflow + 1;
       data[i].qStartTime = data[i].qStartTime + 1;
       data[i].qEndTime = data[i].qEndTime + 1;
       data[i].lowerFloorCells = data[i].lowerFloorCells + 1;
       data[i].cellLocationX = data[i].cellLocationX + 1;
       data[i].cellLocationY = data[i].cellLocationY + 1;
       data[i].cellLocationZ = data[i].cellLocationZ + 1;
       data[i].levelOfCell = data[i].levelOfCell + 1;
       data[i].valueOfCellIds = data[i].valueOfCellIds + 1;
       data[i].h0 = data[i].h0 + 1;
       data[i].vU = data[i].vU + 1;
       data[i].vV = data[i].vV + 1;
       data[i].vUh = data[i].vUh + 1;
       data[i].vVh = data[i].vVh + 1;
       data[i].vUh0 = data[i].vUh0 + 1;
       data[i].vVh0 = data[i].vVh0 + 1;
       data[i].ghh = data[i].ghh + 1;
       data[i].sfx = data[i].sfx + 1;
       data[i].sfy = data[i].sfy + 1;
       data[i].qIn = data[i].qIn + 1;


      for(int j = 0; j < nEdges; ++j) {
        data[i].flagInterface[j] = !data[i].flagInterface[j];
        data[i].typeInterface[j] = data[i].typeInterface[j] + 1;
        data[i].neighborIds[j] = data[i].neighborIds[j] + 1;
      }
    }

  }

private:

  const int numberOfCells;
  static const int nEdges = 6;
  struct data_t {
    bool floodedCells = 0;
    bool floodedCellsTimeInterval = 0;

    double valueOfCellIds = 0;
    double h = 0;

    double h0 = 0;
    double vU = 0;
    double vV = 0;
    double vUh = 0;
    double vVh = 0;
    double vUh0 = 0;
    double vVh0 = 0;
    double ghh = 0;
    double sfx = 0;
    double sfy = 0;
    double qInflow = 0;
    double qStartTime = 0;
    double qEndTime = 0;
    double qIn = 0;
    double nx = 0;
    double ny = 0;
    double floorLevels = 0;
    int lowerFloorCells = 0;
    bool floorCompleteleyFilled = 0;
    double cellLocationX = 0;
    double cellLocationY = 0;
    double cellLocationZ = 0;
    int levelOfCell = 0;
    bool flagInterface[nEdges] = {};
    int typeInterface[nEdges] = {};
    int neighborIds[nEdges] = {};
  };
  std::vector<data_t> data;

};

int main() {
  std::ios_base::sync_with_stdio(false);
  FloodIsolation isolation;
  clock_t start = clock();
  for (int i = 0; i < 400; ++i) {
    if(i % 100 == 0) {
      std::cout << i << "\n";
    }
    isolation.isUpdateNeeded();
  }
  clock_t stop = clock();
  std::cout << "Time: " << difftime(stop, start) / 1000 << "\n";
}

live example

现在的时间是 Java 版本速度的 2 倍。（846 对 1631）。

很可能是 JIT 注意到访问数据的缓存在各处燃烧，并将您的代码转换为逻辑上相似但更有效的顺序。

我还关闭了 stdio 同步，因为只有在将 printf/scanf 与 C++ std::cout 和 std::cin 混合时才需要这样做。碰巧的是，您只打印出几个值，但 C++ 的默认打印行为过于偏执且效率低下。

如果 nEdges 不是实际的常量值，则必须从 struct 中删除 3 个 "array" 值。这应该不会对性能造成巨大影响。

您可以通过减小大小对 struct 中的值进行排序来获得另一个性能提升，从而减少内存占用（并在无关紧要时对访问进行排序）。但我不确定。

根据经验，单个缓存未命中的代价比一条指令高 100 倍。安排您的数据以实现缓存一致性具有很多价值。

如果将数据重新排列成 struct 不可行，您可以将迭代更改为依次遍历每个容器。

顺便说一句，请注意 Java 和 C++ 版本之间存在一些细微差别。我发现的是 Java 版本在 "for each edge" 循环中有 3 个变量，而 C++ 版本只有 2 个。我让我的匹配 Java。不知道还有没有。

Answer 4

我怀疑这与内存分配有关。

我在想 Java 在程序启动时获取了一个大的连续块，而 C++ 要求 OS 进行过程中的点点滴滴。

为了验证该理论，我对 C++ 版本进行了一次修改，它突然启动运行比 Java 版本稍快：

int main() {
    {
        // grab a large chunk of contiguous memory and liberate it
        std::vector<double> alloc(20000 * 20);
    }
    FloodIsolation isolation;
    clock_t start = clock();
    for (int i = 0; i < 400; ++i) {
        if(i % 100 == 0) {
            std::cout << i << "\n";
        }
        isolation.isUpdateNeeded();
    }
    clock_t stop = clock();
    std::cout << "Time: " << (1000 * difftime(stop, start) / CLOCKS_PER_SEC) << "\n";
}

运行时没有预分配向量：

0
100
200
300
Time: 1250.31

运行时与预分配向量：

0
100
200
300
Time: 331.214

Java 版本的运行时间：

0
100
200
300
Time: 407

Java 使用数组比 C++ 中的 std::vector 快 8 倍。我做错了什么？

Java 8 times faster with arrays than std::vector in C++. What did I do wrong?

c++

java

arrays

performance

stdvector

订单已恢复