C++ 中的向量存储

Posted 2023-02-18

【中文标题】C++ 中的向量存储

【英文标题】：Vector storage in C++

【发布时间】：2017-03-11 05:09:39

【问题描述】：

我希望存储一个大的 d 维点向量（d 固定和小：

如果我将Point 定义为vector<int>，我认为vector<Point> 将在每个位置存储一个指向Point 的指针。

但是如果将Point 定义为固定大小的对象，例如： std::tuple<int,int,...,int> 或 std::array<int, d>, 程序会将所有点存储在连续内存中还是会保留额外的间接级别？

如果答案是数组避免了额外的间接性，这是否会对扫描 vector<Point> 时的性能（缓存利用局部性）产生很大影响？

【问题讨论】：

标准向量类应该在很大程度上与数组兼容，这意味着它分配的数据存储在连续的内存块中，就像数组一样。如果您有一个std::vector<Point>，那么所有Point 对象都将连续存储。如果Point 类本身有指针（直接或间接（比如当它有一个向量时）），那么并非所有数据都会连续存储。

是的，我会走元组路线或更好，只需使用普通的 C 风格结构（我仍然觉得元组使用起来很烦人，即 std::get() 并不是全部直观）。

【参考方案1】：

如果您将Point 定义为具有连续的数据存储（例如struct Point int a; int b; int c; 或使用std::array），那么std::vector<Point> 会将Points 存储在连续的内存位置，因此您的内存布局将是：

p0.a, p0.b, p0.c, p1.a, p1.b, p1.c, ..., p(N-1).a, p(N-1).b, p(N-1).c

另一方面，如果您将Point 定义为vector<int>，则vector<Point> 具有vector<vector<int>> 的布局，这是不连续的，因为vector 存储指针 指向动态分配的内存。所以你有 single Points 的连续性，但不是整个结构。

第一种解决方案比第二种更有效（因为现代 CPU 喜欢访问连续的内存位置）。

【讨论】：

一个是否比另一个更有效取决于用例。如果您需要插入一些数据，那么只移动一些指针可能比复制所有数据要快得多。

一般来说，测量是一件好事。但是，具有缓存友好的结构往往对性能很有好处。基于节点的结构往往不利于性能，因为它们对缓存不友好。请注意，分页的成本很高。相反，现代 CPU 喜欢访问 连续 内存位置（这让预取器很高兴）。

【参考方案2】：

对于d (Point 定义为vector<int> 将使std::vector<Point> 的全部内存使用量几乎翻倍，并且几乎不会带来任何优势。

【参考方案3】：

vector 会将您的类型包含的任何内容存储在连续内存中。所以是的，如果那是 array 或 tuple，或者可能更好的自定义类型，它将避免间接。

在性能方面，一如既往，您必须对其进行衡量。不要猜测。至少就扫描而言。

但是，当您首先创建这些点时，肯定会有巨大的性能提升，因为您将避免为每个存储点的vector 分配不必要的内存。在 C++ 中，内存分配通常非常昂贵。

【参考方案4】：

由于尺寸是固定的，我建议您使用将尺寸用作模板参数的模板。像这样的：

template <typename R, std::size_t N> class ndpoint 

public:
  using elem_t=
    typename std::enable_if<std::is_arithmetic<R>::value, R>::type;

  static constexpr std::size_t DIM=N;

  ndpoint() = default;

  // e.g. for copying from a tuple
  template <typename... coordt> ndpoint(coordt... x) : elems_ static_cast<R>(x)... 
  
  ndpoint(const ndpoint& other) : elems_() 
    *this=other;
  

  template <typename PointType> ndpoint(const PointType& other) : elems_() 
    *this = other;
  

  ndpoint& operator=(const ndpoint& other) 
    for(size_t i=0; i<N; i++) 
      this->elems_[i]=other.elems_[i];
    
    return *this;
  

  // this will allow you to assign from any source which defines the
  // [](size_t i) operator
  template <typename PointT> ndpoint& operator=(const PointT& other) 
    for(size_t i=0; i<N; i++) 
      this->elems_[i]=static_cast<R>(other[i]);
    
  

  const R& operator[](std::size_t i) const  return this->elems_[i]; 

  R& operator[](std::size_t i)  return this->elems_[i]; 

private:
  R elems_[N];
;

然后使用std::vector<ndpoint<...>> 来收集积分以获得最佳性能。

【讨论】：

这与 std::vector<:array>> 相比有何不同/更好？

"这比 std::vector<:array>> 好在哪里？"控制您可以对 ndpoint 执行的操作（例如，添加 norm 方法或 distanceTo 等）。在性能方面，它是一样的。只是不要使用元组或向量作为 nd 点的存储。

【参考方案5】：

100% 确定数据结构的唯一方法是完全实现自己的内存处理。

但是，您可以查看许多实现矩阵和矩阵运算的库。有些已经记录了有关连续内存、重塑等的信息（例如 OpenCV Mat）。

请注意，通常您不能相信 array 点是连续的。这是由于对齐，分配块头等。例如考虑

struct Point 
   char x,y,z;
;

Point array_of_points[3];

现在，如果您尝试“重塑”，即根据容器中的点相邻这一事实在 Point 元素之间进行迭代，那么它最有可能失败：

(char *)(&array_of_points[0].z) != (char *)(&array_of_points[1].x)