C++：对象、对对象的引用、对带有和不带有函数的向量元素的引用——观察到的性能差异
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【中文标题】C++：对象、对对象的引用、对带有和不带有函数的向量元素的引用——观察到的性能差异【英文标题】：C++: objects, reference to objects, reference to vector elements with and without functions - observed performance difference 【发布时间】：2013-03-27 08:06:45 【问题描述】：一个 C++ 初学者的问题，一大早就头疼。如果您想查看，请跳至页面底部的代码。我正在对具有不同标识符但类型相同的几个变量应用一些操作（即double）。这些操作要么通过外部函数调用完成，要么在 main 内完成。
我考虑 6 个场景
(1) 本地对象不调用函数
(2) 引用对象不调用函数
(3) 引用向量中的元素不调用函数
（4）局部对象调用函数
(5) 引用对象不调用函数
(6)向量调用函数中元素的引用
我得到了一些有趣的结果（无论如何对我来说）。 (1) 和 (2) 平均耗时 574 毫秒，而 (3)、(4)、(5) 和 (6) 均耗时约 2.77 秒。
我承认 (4)、(5) 和 (6) 可能是由于传入元素而导致函数调用产生的开销。我遇到了一些问题，
为什么对向量元素（即 (3)）的引用的计算也与调用函数花费相同的时间？这是否意味着在调用向量元素的引用和为相似的函数提供值之间存在某种开销？ （注意本例中的函数不是double&，而是double）。
如果我将函数参数全部更改为&double，为什么（1）和（2）需要2.7秒？？？我的意思是，我什至没有调用 (1) 和 (2) 的函数！ （其他人可以试试这个 - 因为我觉得这很奇怪）
如果有的话，有什么特别的方法可以优化这些吗？
代码：在 Windows MinGW 上使用 g++ 4.7.2 和 g++ -std=c++11 -O3 编译。
#include <iostream> // c++ input/output libraries
#include <stdio.h>
#include <vector>
#include "timer.h"
void do_some_calc(double aa, double bb, double cc, double dd, double ee)
double total0, add0;
for(int tests=0; tests<5; ++tests)
Timer Time;
Time.start();
for(int i=0; i<100000; ++i)
for(int j=0; j<2000; ++j)
add = aa*bb/cc*dd/ee;
total += add;
aa=aa/2;
bb=bb/2;
cc=cc/2;
dd=dd/2;
ee=ee/2;
aa=aa*2;
bb=bb*2;
cc=cc*2;
dd=dd*2;
ee=ee*2;
cout << total << " with " << add << endl;
Time.finish("func call");
int main()
// the numbers 12, 13,14,13 and 12 tied to a vector
std::vector<double> ch12,13,14,13,12;
// the numbers 12, 13,14,13 and 12 tied to independent objects
double a = 12;
double b = 13;
double c = 14;
double d = 13;
double e = 12;
// reference to objects
double& a_ref = a;
double& b_ref = b;
double& c_ref = c;
double& d_ref = d;
double& e_ref = e;
// reference to vector elements
double& a_vref = ch[0];
double& b_vref = ch[1];
double& c_vref = ch[2];
double& d_vref = ch[3];
double& e_vref = ch[4];
cout << "1) normal without function (i.e. local):" << endl;
double total0, add0;
for(int tests=0; tests<5; ++tests)
Timer Time;
Time.start();
for(int i=0; i<100000; ++i)
for(int j=0; j<2000; ++j)
add = a*b/c*d/e;
total += add;
a=a/2;
b=b/2;
c=c/2;
d=d/2;
e=e/2;
a=a*2;
b=b*2;
c=c*2;
d=d*2;
e=e*2;
cout << total << " with " << add << endl;
Time.finish("obj");
cout << "\n\n2) reference to double obj without function (i.e. local):" << endl;
total=0, add=0;
for(int tests=0; tests<5; ++tests)
Timer Time;
Time.start();
for(int i=0; i<100000; ++i)
for(int j=0; j<2000; ++j)
add = a_ref*b_ref/c_ref*d_ref/e_ref;
total += add;
a_ref=a_ref/2;
b_ref=b_ref/2;
c_ref=c_ref/2;
d_ref=d_ref/2;
e_ref=e_ref/2;
a_ref=a_ref*2;
b_ref=b_ref*2;
c_ref=c_ref*2;
d_ref=d_ref*2;
e_ref=e_ref*2;
cout << total << " with " << add << endl;
Time.finish("ref obj");
cout << "\n\n3) reference to double obj from vector without function (i.e. local):" << endl;
total=0, add=0;
for(int tests=0; tests<5; ++tests)
Timer Time;
Time.start();
for(int i=0; i<100000; ++i)
for(int j=0; j<2000; ++j)
add = a_vref*b_vref/c_vref*d_vref/e_vref;
total += add;
a_vref=a_vref/2;
b_vref=b_vref/2;
c_vref=c_vref/2;
d_vref=d_vref/2;
e_vref=e_vref/2;
a_vref=a_vref*2;
b_vref=b_vref*2;
c_vref=c_vref*2;
d_vref=d_vref*2;
e_vref=e_vref*2;
cout << total << " with " << add << endl;
Time.finish("ref vec");
//cout << "\n\nreference to obj from vector without function (i.e. local):" << endl;
cout << "\n\n4) normal with function:" << endl;
do_some_calc(a,b,c,d,e);
cout << "\n\n5) reference to double obj with function:" << endl;
do_some_calc(a_ref,b_ref,c_ref,d_ref,e_ref);
cout << "\n\n6) reference to double obj from vector with function:" << endl;
do_some_calc(a_vref,b_vref,c_vref,d_vref,e_vref);
return 0;
这是我创建的自定义#include "Timer.h"，用于计算时间
/*
Timer class for c++11 and pre c++11 (i.e. c++03 and c++99 etc) [version 0.1]
This is currently static and does not include multiple starts
Author:
currently tested on GCC only
*/
#ifndef TIMER_H
#define TIMER_H
#include <string>
#include <iostream>
#if (__cplusplus >= 201103L)
#include <chrono> // include new c++11 object for timer
#include <ratio>
#else
#include <ctime> // include pre c++11 object for timer
#endif
class Timer
private:
#if __cplusplus >= 201103L
typedef std::chrono::high_resolution_clock::time_point hiResClock;
typedef std::chrono::duration<long double,std::micro> micro_t;
hiResClock store;
#else
long double store;
#endif
public:
void start(void); // [c++11] method: start timer
void finish(const std::string& disp); // [both] method: finish timer
; // end of class Timer
inline void Timer::start(void)
#if __cplusplus >= 201103L
store = std::chrono::high_resolution_clock::now();
#else
store = (long double)std::clock()/CLOCKS_PER_SEC;
#endif
void Timer::finish(const std::string& disp)
std::cout << "Time taken: ";
#if __cplusplus >= 201103L
Timer::micro_t out = std::chrono::duration_cast<Timer::micro_t> (std::chrono::high_resolution_clock::now()-store);
long double temp = out.count();
if(temp<1000)
std::cout << out.count() << " micro-seconds" << std::endl;
else if(temp<1000000)
std::cout << out.count()/1000 << " milli-seconds" << std::endl;
else if(temp<1000000000)
std::cout << out.count()/1000000 << " seconds" << std::endl;
else if(temp<60000000000)
std::cout << out.count()/60000000L << " minutes" << std::endl;
else
std::cout << out.count()/3600000000ULL << " hours" << std::endl;
#else
std::cout << ((long double)std::clock()/CLOCKS_PER_SEC-store) << " seconds" << std::endl;
#endif
std::cout << " For: " << disp << std::endl;
#endif // instantiate Timer.h once
【问题讨论】：
【参考方案1】：虽然这在技术上不是一个答案，但我建议在进行性能测量时不要使用时钟，因为在您运行测试时，CPU 可能处于也可能不处于 SpeedStep 模式（即以较低的速度运行）频率以节省电力）。
相反，试试这个 x86 特定的东西：
http://en.wikipedia.org/wiki/Time_Stamp_Counter
你可以这样使用它：
#include <cstdint>
// Read the CPU Time Stamp Counter
::uint64_t getTicks() noexcept
register ::uint32_t lo, hi;
#ifdef SUPPORTS_RDTSCP
__asm__ __volatile__ ("rdtscp" // On i7 we can remove cpuid and use rdtscp
: "=a"(lo), "=d"(hi)
:
: );
#else
__asm__ __volatile__ ("cpuid \n\t rdtsc" // On lesser chips there is no RDTSCP instruction
: "=a"(lo), "=d"(hi) // Works in 32- or 64-bit modes (don't use "=A"!!!)
:
: "ebx", "ecx"); // Because of cpuid
#endif
return (::uint64_t)hi<<32 | lo;
如您所见，您需要根据您拥有的芯片类型定义 SUPPORTS_RDTSCP。
无论 CPU 以何种速度运行，在测量给定指令序列经过了多少滴答时，滴答数应该大致相同。请记住，流水线和乱序执行将和所有这些东西会使其略有不同，但它比使用您正在使用的时钟东西要接近得多。
【讨论】：
以上是关于C++：对象、对对象的引用、对带有和不带有函数的向量元素的引用——观察到的性能差异的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章