为什么类向量比带有向量的 class 更快

Question

嗨尝试了以下示例，但不明白为什么会这样。

先例

#include <iostream>
#include <vector>

class Ant {
private:
  int m_worker;

public:
  Ant(int x=0) : m_worker(x) {}

  int GetWorker() const {
      return m_worker;
  }
};

class AntFarm {
private:
  std::vector<int> m_worker;

public:
  AntFarm() : m_worker(100) {}

  int GetWorker(int index) const {
      return m_worker.at(index);
  }
};


int main() {
  AntFarm farm{};
  std::vector<Ant> vec(100);
  Timer timer_farm{};
  Timer timer_ant{};

  timer_farm.Start();
  for(int j=0;j<10000;j++) {
      for(int i=0;i<100;i++) {
          int a = farm.GetWorker(i);   
      }
  }
  timer_farm.Stop();

  timer_ant.Start();
  for(int j=0;j<10000;j++) {
      for(const auto ant : vec) {
          int a = ant.GetWorker();
      }
  }
  timer_ant.Stop();

  std::cout << "Farm time passed = "<<timer_farm.Milliseconds() << std::endl;
  std::cout << "Ant time passed = "<<timer_ant.Milliseconds() << std::endl;
  return 0;
}

Output：

Farm time passed = 30
Ant time passed = 2

我尝试以不同的方式对 Antfarm 进行 model 。 第一种方法是将 Ant 作为 class 并将 Antfarm 存储在 Ant 的向量中。 第二种方法是有一个 AntFarm class ，其中有一个 int 向量。

现在，当我调用 GetWorker 时，我认为第一种方法会比第二种方法慢。 但事实证明，第一种方法是为什么更快。

谁能解释为什么方法 1 比方法 2 更快？！

编辑：

我使用 MSCV 编译器版本 16.9.0+5e4b48a27 和以下编译选项编译 Windows 10 x64 和以下编译选项： /GT /GS /Gs /guard:cf $<$CONFIG:Debug:/RTC1>

Answer 1

我替换了我自己的计时器 class 因为你没有提供一个所以它以纳秒而不是毫秒打印。

在发布版本中运行代码会产生

Farm time passed = 660100
Ant time passed = 0

所以它显然在第二种情况下优化了你的循环，因为它在第一种情况下没有明显的副作用，它仍然可以做一些工作。

更改 AntFarm::GetWorker 以使用数组索引而不是 .at()

int GetWorker(int index) const {
    return m_worker[index];
}

得到我们预期的结果。

Farm time passed = 0
Ant time passed = 0

现在我们可以添加一些可见的副作用，以便代码实际运行。 我只是将 a 移到循环外并在完成后打印它，因此无法对其进行优化。

timer_farm.Start();
int a;
for(int j=0;j<10000;j++) {
    for(int i=0;i<100;i++) {
        a = farm.GetWorker(i);
    }
}
timer_farm.Stop();
std::cout << a;

timer_ant.Start();
for(int j=0;j<10000;j++) {
    for(const auto ant : vec) {
        a = ant.GetWorker();
    }
}
timer_ant.Stop();
std::cout << a << "\n";

现在我们在 both.at 和 [] 上都得到了一些结果

m_worker[index]
Farm time passed = 109700
Ant time passed = 318600

m_worker.at(index)
Farm time passed = 550200
Ant time passed = 318200

很明显，在 vector 上使用 .at() 会花费更多，因为它会进行边界检查，但使用数组语法会更快。