数据结构顺序表和链表的优缺点 | 浅析CPU高速缓存 | 理解 “命中率“ 的概念

Posted 2021-12-11 柠檬叶子C

 

 前言：

顺序表和链表，这两个结构各有优势，很难说谁更优。严格来说，他们两是相辅相成的两个结构。如果链表的各方面的结构都比顺序表优，我们还学个锤子顺序表呢？所以他们各有优缺点。你的缺点就是我的优点，这是一个互相弥补的状态。

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一、优缺点分析

顺序表

优点：

① 支持随机访问（最大的优点）

需要随机访问结构的支持的算法可以很好的适用（排序，二分查找）哪怕顺序表有一百个缺点，只要有这一个优点！顺序表就有存在的意义。

② CPU高速缓存命中率更高（相比链表而言）

（下面会讲解，这个是比较底层的知识了，实在理解不了也没关系）

缺点：

① 头部或者中部插入删除时间复杂度效率低 O(N)

② 连续的物理空间，如果空间不够就需要增容

1. 增容有一定程度的消耗，比如现在有10个空间，你要增容2倍，你要开一个20个对象大小的空间，再把10个空间上的值拷贝下来再释放旧的空间，会消耗。

2. 为了避免频繁增容，我们一般都按倍数去增，用不完可能存在一定的空间浪费。

链表（双向带头循环链表）

优点：

① 任意位置插入删除效率高 O(1) ，前后一链接就可以了不需要挪动数据

② 按需申请释放空间， 在空间的利用上一点都不浪费和占用

缺点：

① 不支持随机访问

不能用下标访问，我想访问第 i 个，做不到。这就意味着有些算法不能用，比如一些排序，二分查找在这种结构上不适用。

② 链表存储一个值，同时要存储链接指针，也有一定的消耗

这是一个比较小的缺点了，因为就那几个指针占用不了多少内存。

③ CPU高速缓存命中率更低（相比顺序表而言）

（下面会讲解）

二、浅析CPU高速缓存

刚才说优缺点的时候，我们提到了CPU高速缓存命中率问题。这里我们将进行一个简单的讲解，讲解完后大家应该就能理解为什么顺序表的命中率较高，链表的命中率相对较低了。参考陈皓

0x00 存储器的层次结构

从单个计算机上来说，分为带电存储和不带电存储。如图所示，黄线以上的部分为带电存储，简单来说就是有电它才能存数据。

远程二级存储（分布式文件系统、Web服务器）：不带电存储

比如你把数据存到百度网盘上，就是远程存储。

本地二级存储（本地磁盘）：不带电存储

本地磁盘（local disk）是指安装于同一台计算机主板上，不可随意插拔、移动的磁盘（硬盘），一般包括计算机操作系统所在分区及其他分区。

主存（DRAM）：带电存储

主存储器（Main memory），简称主存。是计算机硬件的一个重要部件，其作用是存放指令和数据，并能由中央处理器（CPU）直接随机存取。

寄存器：带电存储

CPU速度快，会和寄存器交互。假设要计算 a + b。a 和 b 是存储在主存上的，如果 a 和 b 都比较小，会送到寄存器那里进行计算。寄存器一般很小，但是它的速度特别快。

0x01 举例讲解

❓  假设我们的 CPU 现在要分别遍历顺序表和链表。这里其实还涉及到虚拟内存和物理内存映射问题，既然是浅析，我们就谈谈较为简单的部分。

🔑 执行指令：分别遍历顺序表和链表

0x02 回到问题

这就是为什么链表的CPU高速缓存命中率相比顺序表而言低的原因！

顺序表的CPU高速缓存命中率更高（相比链表而言）

链表的CPU高速缓存命中率较低（相比顺序表而言）

三、总结

链表再好，也有他不适用的地方，有时候还是得用顺序表。就这一个缺点，就让链表直接芭比Q了。排序场景用的很多的（比如按价格，按热度）。

🔗 陈皓大佬的CPU缓存知识详解：与程序员相关的CPU缓存知识

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参考资料：

陈皓. 与程序员相关的CPU缓存知识[J]. CoolShell, 2020/3/1.

Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .

百度百科[EB/OL]. []. https://baike.baidu.com/.

📌 笔者：王亦优

📃 更新： 2021.11.16

❌ 勘误： 无

📜 声明： 由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！