C ++中的线性搜索与二进制搜索实时性能

Posted 2023-02-16

【中文标题】C ++中的线性搜索与二进制搜索实时性能

【英文标题】：Linear search vs binary search real time performance in C++

【发布时间】：2021-04-30 08:09:41

【问题描述】：

使用下面的代码比较二分搜索与线性搜索在 C++ 中的实时性能时得到完全出乎意料的结果 -

typedef std::chrono::microseconds us;

int linear_search(uint64_t* val, int s, int e, uint64_t k) 
    while (s < e) 
      if (!less<uint64_t>()(val[s], k)) 
        break;
      
      ++s;
    
    return s;


int binary_search(uint64_t* val, int s, int e, uint64_t k) 
    while (s != e) 
      const int mid = (s + e) >> 1;
      if (less<uint64_t>()(val[mid], k)) 
        s = mid + 1;
       else 
        e = mid;
      
    
    return s;



int main() 

    // Preparing data
    int iter = 1000000;
    int m = 1000;
    uint64_t val[m];
    for(int i = 0; i < m;i++) 
        val[i] = rand();
    
    sort(val, val + m);
    uint64_t key = rand();

    // Linear search time computation
    auto start = std::chrono::system_clock::now();
    for (int i = 0; i < iter; i++) 
        linear_search(val, 0, m - 1, key);
    
    auto end = std::chrono::system_clock::now();
    auto elapsed_us = std::chrono::duration_cast<us>(end - start);
    std::cout << "Linear search: " << m << " values "
              << elapsed_us.count() << "us\n";

    // Binary search time computation
    start = std::chrono::system_clock::now();
    for (int i = 0; i < iter; i++) 
        binary_search(val, 0, m - 1, key);
    
    end = std::chrono::system_clock::now();
    elapsed_us = std::chrono::duration_cast<us>(end - start);
    std::cout << "Binary search: " << m <<" values "
              << elapsed_us.count() << "us\n";

编译不优化，得到以下输出-

Linear search: 1000 values 1848621us
Binary search: 1000 values 24975us

当使用 -O3 优化编译时，得到这个输出 -

Linear search: 1000 values 0us
Binary search: 1000 values 13424us

我知道对于小数组大小，二进制搜索可能比线性搜索要昂贵，但无法通过添加 -O3 来理解这种幅度差异的原因

【问题讨论】：

优化了，对输出做一些事情，这样编译器就不会完全跳过这个块

您没有使用线性搜索的结果，因此编译器会在打开优化时删除该部分，令人费解的部分是为什么二进制搜索部分没有发生同样的情况

我推荐the compiler explorer，它可以让您查看生成的汇编代码以了解发生了什么。

@largest_prime_is_463035818 val 是由指针获取的，如果变量被引用，编译器不能排除副作用，二进制搜索是最后一个并且在它之后没有对 val 的引用。

@AlessandroTeruzzi 是的，但不是。编译器确实优化了linear_search，它首先出现，两者都使用指针。一旦它确实优化了linear_search，它也可以删除binary_search

【参考方案1】：

我用https://quick-bench.com 对您的代码进行了基准测试，并且二进制搜索要快得多（对于m = 100，它会中断m = 1000）。这是我的基准代码：

int linear_search(uint64_t* val, int s, int e, uint64_t k) 
    while (s < e) 
      if (!std::less<uint64_t>()(val[s], k)) 
        break;
      
      ++s;
    
    return s;


int binary_search(uint64_t* val, int s, int e, uint64_t k) 
    while (s != e) 
      const int mid = (s + e) >> 1;
      if (std::less<uint64_t>()(val[mid], k)) 
        s = mid + 1;
       else 
        e = mid;
      
    
    return s;


constexpr int m = 100;
uint64_t val[m];
uint64_t key = rand();
void init() 
  static bool isInitialized = false;
  if (isInitialized) return;
  for(int i = 0; i < m;i++) 
    val[i] = rand();
  
  std::sort(val, val + m);
  isInitialized = true;


static void Linear(benchmark::State& state) 
  init();
  for (auto _ : state) 
    int result = linear_search(val, 0, m - 1, key);
    benchmark::DoNotOptimize(result);
  

BENCHMARK(Linear);

static void Binary(benchmark::State& state) 
  init();
  for (auto _ : state) 
    int result = binary_search(val, 0, m - 1, key);
    benchmark::DoNotOptimize(result);
  

BENCHMARK(Binary);

结果：

仅对 for (auto _ : state) 中的代码进行基准测试。

【讨论】：

不知道基准。感谢更新代码！

【参考方案2】：

编译器设法意识到您的线性搜索是一个 noop（它没有副作用）并将其转换为什么都不做。所以它需要零时间。

要解决此问题，请考虑获取返回值并将其相加，然后将其打印到计时块之外。