保持类的向量成员与类实例连续

Posted 2023-02-21

【中文标题】保持类的向量成员与类实例连续

【英文标题】：Keep vector members of class contiguous with class instance

【发布时间】：2015-02-27 06:54:39

【问题描述】：

我有一个实现两个简单的、预先确定大小的堆栈的类；它们存储为由构造函数预先确定大小的向量类型类的成员。它们是小型且缓存行大小友好的对象。 这两个堆栈的大小是恒定的，持久化和延迟更新，并且经常通过一些计算成本低的方法一起访问，但是这些方法可以调用很多次（每秒数万到数十万次）。

所有对象都已经处于良好状态（代码很干净并且可以执行它应该做的事情），所有大小都得到控制（64k 到 128k 大多数情况下，整个操作链包括结果，很少接近 256k，所以更糟糕的是 L2 查找，通常是 L1）。

一些自动矢量化开始发挥作用，但除此之外，它始终是单线程代码。

这个类，减去一些小东西和填充，看起来像这样：

class Curve
private:
    std::vector<ControlPoint> m_controls;
    std::vector<Segment> m_segments;

    unsigned int m_cvCount;
    unsigned int m_sgCount;
    std::vector<unsigned int> m_sgSampleCount;

    unsigned int m_maxIter;
    unsigned int m_iterSamples;
    float m_lengthTolerance;

    float m_length;


Curve::Curve()
    m_controls = std::vector<ControlPoint>(CONTROL_CAP);
    m_segments = std::vector<Segment>( (CONTROL_CAP-3) );

    m_cvCount = 0;
    m_sgCount = 0;
    std::vector<unsigned int> m_sgSampleCount(CONTROL_CAP-3);

    m_maxIter = 3;
    m_iterSamples = 20;
    m_lengthTolerance = 0.001;

    m_length = 0.0;


Curve::~Curve()

请忍受冗长，我正在努力自我教育，并确保我不会用一些半知半解的知识来操作：

鉴于在这些操作上运行的操作及其实际使用情况，性能主要受内存 I/O 限制。 我有几个与数据的最佳定位相关的问题，请记住这是在 Intel CPU（Ivy 和一些 Haswell）和 GCC 4.4 上，我没有其他用例：

我假设如果控件和段的实际存储与 Curve 的实例相邻，那么这是缓存的理想方案（从大小上看，很多可以很容易地适合我的目标 CPU）。 一个相关的假设是，如果向量远离 Curve 的实例，并且在它们之间，当方法交替访问这两个成员的内容时，将会更频繁地驱逐和重新填充 L1 缓存。

1) 是否正确（数据是从在新操作中首次查找的地址中提取的整个缓存大小的数据，而不是在方便的多个适当大小的段中），还是我误解了缓存机制并且缓存可以拉取并保留多个较小的内存段？

2) 按照上述情况，就纯粹的情况而言，我所有的测试总是以类的实例和连续的向量结束，但我认为这只是运气不好，无论在统计上多么有可能。通常实例化该类仅保留该对象的空间，然后将向量分配在下一个可用的空闲连续块中，如果先前在内存中找到一个小的空位，则不能保证它位于我的 Curve 实例附近的任何地方。 这是正确的吗？

3) 假设 1 和 2 是正确的，或者从功能上来说足够接近，我理解为了保证性能，我必须编写一个分配器来确保类对象本身在实例化时足够大，然后复制我自己和那里的向量参考那些。 如果这是解决问题的唯一方法，我可能可以破解类似的方法，但如果有很好/聪明的方法来解决类似的问题，我宁愿不要可怕地破解它。任何关于最佳实践和建议方法的指示都会非常有帮助（除了“不要使用 malloc，它不能保证是连续的”，我已经记下来了 :)）。

【参考方案1】：

如果 Curve 实例适合一个缓存行，并且两个向量的数据也分别适合一个缓存行，那么情况还不错，因为那时您有四个常量缓存行。如果每个元素都被间接访问并随机定位在内存中，那么每次访问元素都可能会花费您一次 fetch 操作，在这种情况下可以避免这种情况。如果 Curve 及其元素都适合少于四个高速缓存行，则您可以从将它们放入连续存储中获益。

是的。

如果您使用 std::array，您可以保证元素嵌入到所属类中并且没有动态分配（这本身会消耗您的内存空间和带宽）。然后，您甚至可以避免间接访问，如果您使用特殊分配器将向量内容与 Curve 实例放在连续存储中，那么您仍然可以使用。

顺便说一句：短样式备注：

Curve::Curve()

  m_controls = std::vector<ControlPoint>(CONTROL_CAP, ControlPoint());
  m_segments = std::vector<Segment>(CONTROL_CAP - 3, Segment());
  ...

...应该这样写：

Curve::Curve():
  m_controls(CONTROL_CAP),
  m_segments(CONTROL_CAP - 3)

  ...

这称为“初始化列表”，搜索该术语以获得进一步的解释。此外，您作为第二个参数提供的默认初始化元素已经是默认值，因此无需明确指定。

【讨论】：

感谢您的回复。 1) 曲线大小为 8，向量包含小对象，它们分别与缓存行的一到倍数对齐，但数量大于一，整个数据集不适合一个缓存行，但最适合 L1时间和 L2 一直 - 2）谢谢 3）我在 GCC 4.4 上，所以没有 C++11。我不知道它有这个保证。它反映在sizeof中吗？ Style-Note）谢谢，虽然默认初始化在那里，因为我清理了原始代码以从具有一些参数的实际使用中发布它，为了清晰起见，将编辑原始帖子。