std::fstream 缓冲 vs 手动缓冲（为什么手动缓冲增益 10 倍）？

Question

我测试了两种写入配置：

1. Fstream 缓冲：

    // Initialization const unsigned int length = 8192; char buffer[length]; std::ofstream stream; stream.rdbuf()->pubsetbuf(buffer, length); stream.open("test.dat", std::ios::binary | std::ios::trunc) // To write I use : stream.write(reinterpret_cast<char*>(&x), sizeof(x));

2. 手动缓冲：

    // Initialization const unsigned int length = 8192; char buffer[length]; std::ofstream stream("test.dat", std::ios::binary | std::ios::trunc); // Then I put manually the data in the buffer // To write I use : stream.write(buffer, length);

我期待同样的结果......

但是我的手动缓冲将性能提高了 10 倍以写入 100MB 的文件，并且 fstream 缓冲与正常情况相比没有任何改变（无需重新定义缓冲区）。

有人对这种情况有解释吗？

编辑：这是新闻：刚刚在超级计算机上完成的基准测试（linux 64 位架构，持续英特尔至强 8 核，Lustre 文件系统和...希望配置良好的编译器） （我没有解释 1kB 手动缓冲区“共振”的原因......）

编辑 2：1024 B 处的共振（如果有人对此有想法，我很感兴趣）：

Answer 1

这基本上是由于函数调用开销和间接性。 ofstream::write() 方法继承自 ostream。 该函数未在 libstdc++ 中内联，这是第一个开销来源。 然后 ostream::write() 必须调用 rdbuf()->sputn() 来做实际的写入，这是一个虚函数调用。

最重要的是，libstdc++ 将 sputn() 重定向到另一个虚函数 xsputn()，它添加了另一个虚函数调用。

如果您自己将字符放入缓冲区，则可以避免这种开销。

Answer 2

我想解释一下第二张图表中出现峰值的原因是什么。

事实上， std::ofstream使用的虚函数导致性能下降，类似于我们在第一张图片中看到的，但它没有给出为什么手动缓冲区大小小于 1024 字节时性能最高的答案。

该问题与writev()和write()系统调用的writev()以及std::ofstream的std::filebuf内部类的内部实现有关。

为了展示write()如何影响性能，我在我的 Linux 机器上使用dd工具进行了一个简单的测试，以复制具有不同缓冲区大小（ bs选项）的 10MB 文件：

test@test$ time dd if=/dev/zero of=zero bs=256 count=40000
40000+0 records in
40000+0 records out
10240000 bytes (10 MB) copied, 2.36589 s, 4.3 MB/s

real    0m2.370s
user    0m0.000s
sys     0m0.952s
test$test: time dd if=/dev/zero of=zero bs=512 count=20000
20000+0 records in
20000+0 records out
10240000 bytes (10 MB) copied, 1.31708 s, 7.8 MB/s

real    0m1.324s
user    0m0.000s
sys     0m0.476s

test@test: time dd if=/dev/zero of=zero bs=1024 count=10000
10000+0 records in
10000+0 records out
10240000 bytes (10 MB) copied, 0.792634 s, 12.9 MB/s

real    0m0.798s
user    0m0.008s
sys     0m0.236s

test@test: time dd if=/dev/zero of=zero bs=4096 count=2500
2500+0 records in
2500+0 records out
10240000 bytes (10 MB) copied, 0.274074 s, 37.4 MB/s

real    0m0.293s
user    0m0.000s
sys     0m0.064s

如您所见：缓冲区越小，写入速度越低，因此dd在系统空间中花费的时间越多。 因此，当缓冲区大小减小时，读/写速度会降低。

但是为什么在主题创建者手动缓冲区测试中手动缓冲区大小小于 1024 字节时速度会达到峰值？ 为什么它几乎是恒定的？

解释与std::ofstream实现有关，尤其是与std::basic_filebuf 。

默认情况下，它使用 1024 字节缓冲区（BUFSIZ 变量）。 因此，当您使用小于 1024 的片段写入数据时，对于两个ofstream::write()操作（片段的大小为 1023 < 1024 - 首先是调用writev() （而不是write() ）系统调用至少一次写入缓冲区，第二个强制写入第一个和第二个）。 基于它，我们可以得出结论ofstream::write()速度不依赖于峰值之前的手动缓冲区大小（ write()很少被调用至少两次）。

当您尝试使用ofstream::write()调用一次写入大于或等于 1024 字节的缓冲区时， writev()为每个ofstream::write调用writev()系统调用。 因此，您会看到当手动缓冲区大于 1024 时（峰值之后）速度会增加。

此外，如果您想使用streambuf::pubsetbuf()将std::ofstream缓冲区设置为大于 1024 缓冲区（例如，8192 字节缓冲区streambuf::pubsetbuf()并调用ostream::write()以使用 1024 大小的块写入数据，您会惊讶于写入速度将与使用 1024 缓冲区相同。 这是因为std::basic_filebuf - std::ofstream的内部类 - 被硬编码为当传递的缓冲区大于或等于 1024 字节时强制调用系统writev()调用对每个ofstream::write()调用（请参阅basic_filebuf::xsputn()源代码）。 在2014-11-05报告的 GCC bugzilla 中还有一个未解决的问题。

因此，可以使用两种可能的情况来提供此问题的解决方案：

• 用你自己的类替换std::filebuf并重新定义std::ofstream
• 将必须传递给ofstream::write()的缓冲区分成大小小于 1024 的片段，然后将它们一一传递给ofstream::write()
• 不要将小块数据传递给ofstream::write()以避免降低std::ofstream虚函数的性能

Answer 3

我想添加到现有的响应中，如果写入大块数据，这种性能行为（来自虚拟方法调用/间接的所有开销）通常不是问题。 问题和这些先前的答案（尽管可能隐含地理解）似乎被忽略的是原始代码每次都写入少量字节。 只是为了向其他人澄清：如果您正在写入大数据块 (~kB+)，则没有理由期望手动缓冲与使用std::fstream的缓冲会有显着的性能差异。