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为什么处理排序数组比处理未排序数组慢?

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我有一个包含 500000 个随机生成的Tuple<long,long,string>对象的列表,我正在对这些对象执行简单的“介于”搜索:

var data = new List<Tuple<long,long,string>>(500000);
...
var cnt = data.Count(t => t.Item1 <= x && t.Item2 >= x);

当我生成随机数组并搜索 100
个随机生成的值时x,搜索在大约四秒内完成。然而,在知道排序对搜索的巨大奇迹之后,我决定在运行 100
次搜索之前对我的数据进行排序 -
首先按Item1,然后按Item2,最后按。Item3由于分支预测,我希望排序后的版本执行得更快一些:我的想法是,一旦我们到达那个点Item1 == x,所有进一步的检查t.Item1 <= x都会正确地预测分支为“不接受”,从而加快尾部的搜索。令我惊讶
的是,排序数组的搜索时间是原来的两倍

我尝试改变运行实验的顺序,并为随机数生成器使用不同的种子,但效果是一样的:在未排序数组中的搜索运行速度几乎是在同一数组中搜索的两倍,但是排序!

有人对这种奇怪的效果有很好的解释吗?我的测试源代码如下;我正在使用 .NET 4.0。


private const int TotalCount = 500000;
private const int TotalQueries = 100;
private static long NextLong(Random r) {
    var data = new byte[8];
    r.NextBytes(data);
    return BitConverter.ToInt64(data, 0);
}
private class TupleComparer : IComparer<Tuple<long,long,string>> {
    public int Compare(Tuple<long,long,string> x, Tuple<long,long,string> y) {
        var res = x.Item1.CompareTo(y.Item1);
        if (res != 0) return res;
        res = x.Item2.CompareTo(y.Item2);
        return (res != 0) ? res : String.CompareOrdinal(x.Item3, y.Item3);
    }
}
static void Test(bool doSort) {
    var data = new List<Tuple<long,long,string>>(TotalCount);
    var random = new Random(1000000007);
    var sw = new Stopwatch();
    sw.Start();
    for (var i = 0 ; i != TotalCount ; i++) {
        var a = NextLong(random);
        var b = NextLong(random);
        if (a > b) {
            var tmp = a;
            a = b;
            b = tmp;
        }
        var s = string.Format("{0}-{1}", a, b);
        data.Add(Tuple.Create(a, b, s));
    }
    sw.Stop();
    if (doSort) {
        data.Sort(new TupleComparer());
    }
    Console.WriteLine("Populated in {0}", sw.Elapsed);
    sw.Reset();
    var total = 0L;
    sw.Start();
    for (var i = 0 ; i != TotalQueries ; i++) {
        var x = NextLong(random);
        var cnt = data.Count(t => t.Item1 <= x && t.Item2 >= x);
        total += cnt;
    }
    sw.Stop();
    Console.WriteLine("Found {0} matches in {1} ({2})", total, sw.Elapsed, doSort ? "Sorted" : "Unsorted");
}
static void Main() {
    Test(false);
    Test(true);
    Test(false);
    Test(true);
}

Populated in 00:00:01.3176257
Found 15614281 matches in 00:00:04.2463478 (Unsorted)
Populated in 00:00:01.3345087
Found 15614281 matches in 00:00:08.5393730 (Sorted)
Populated in 00:00:01.3665681
Found 15614281 matches in 00:00:04.1796578 (Unsorted)
Populated in 00:00:01.3326378
Found 15614281 matches in 00:00:08.6027886 (Sorted)

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2022-05-25

共1个答案

小编典典

当您使用未排序列表时,所有元组都按 memory-order 访问。它们已在 RAM 中连续分配。CPU
喜欢按顺序访问内存,因为它们可以推测性地请求下一个高速缓存行,因此它总是在需要时出现。

当您对列表进行排序时,您会将其 按随机顺序排列 ,因为您的排序键是随机生成的。这意味着对元组成员的内存访问是不可预测的。CPU
无法预取内存,几乎每次访问元组都是缓存未命中。

这是GC 内存管理 的特定优势的一个很好的例子:一起分配并一起使用的数据结构执行得非常好。它们有很大 的参考意义

在这种情况下,缓存未命中的惩罚 超过了保存的分支预测惩罚

尝试切换到struct-tuple。这将恢复性能,因为在运行时不需要指针取消引用来访问元组成员。

Chris Sinclair 在评论中指出 “对于大约 10,000 或更少的 TotalCount,排序后的版本确实执行得更快 ”。这是因为一个小列表
完全适合 CPU 缓存
。内存访问可能无法预测,但目标始终在缓存中。我相信仍然会有一个小的惩罚,因为即使从缓存加载也需要一些周期。但这似乎不是问题,因为 CPU
可以处理多个未完成的负载
,从而提高吞吐量。每当 CPU 遇到内存等待时,它仍会在指令流中加速以尽可能多地排队内存操作。该技术用于隐藏延迟。

这种行为表明在现代 CPU 上预测性能是多么困难。 从顺序访问到随机访问时,我们只慢了 2 倍
这一事实告诉我在幕后隐藏了多少内存延迟。一次内存访问会使 CPU 停顿 50-200 个周期。鉴于第一个可能期望程序在引入随机内存访问时会变慢 10
倍以上。

2022-05-25