為什么std ::旋轉這么快？

Question

為什么std::rotate比cplusplus.com描述的等效函數快得多？

cplusplus.com的實施：

template <class ForwardIterator>
  void rotate (ForwardIterator first, ForwardIterator middle, ForwardIterator last)
{
  ForwardIterator next= middle;

  while (first != next)
  {
    swap (*first++, *next++);

    if(next == last)
        next= middle;
    else if (first==middle)
        middle= next;
  }
}

我有兩個完全相同的插入排序算法，除了一個使用std::rotate ，一個使用cplusplus.com的等效函數。 我將它們設置為使用1000個int元素對1000個向量進行排序。 使用std::rotate的排序需要0.376秒，而另一個需要8.181秒。

為什么是這樣？ 我不打算嘗試做出比STL功能更好的東西，但我仍然很好奇。

Answer 1

正如評論員已經說過的那樣，這取決於您的標准庫實施。 但是，即使對於前向迭代器 ，您發布的代碼也是有效的。 因此，它只需要很少的要求（只有這些迭代器可以遞增和解除引用）。

Stepanov的經典編程元素將整個章節（10）用於rotate和其他重排算法。 對於正向迭代器，代碼中的一系列交換會給出O(3N)分配。 對於雙向迭代器 ，三個連續的reverse調用產生另一個O(3N)算法。 對於隨機訪問迭代器 ， std::rotate可以通過first為起始迭代器定義索引的排列來實現為O(N)賦值。

所有上述算法都是就地的。 使用內存緩沖區，隨機訪問版本可能受益於memcpy()或memmove() （如果基礎值類型為POD）的更高緩存局部性，其中可以交換整個連續內存塊。 如果您對數組或std::vector插入排序，則標准庫可能會利用此優化。

TL; DR ：信任您的標准庫，不要重新發明輪子！

Answer 2

編輯：

由於沒有給出上下文，不清楚你的代碼是否調用std::swap()或其他swap(a,b)算法

T tmp = a; a = b; b = tmp;

當a和b各為1000 int s的向量時，這將復制所有向量元素3次。 像std::vector<T>的容器的std::swap()的專用版本調用容器a.swap(b)方法，實質上只交換容器的動態數據指針。

此外，對於不同的迭代器類型， std::rotate()實現可以使用一些優化（請參閱下面的舊版，可能誤導性的答案）。

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警告： std::rotate()的實現依賴於實現。 對於不同的迭代器類別，可以使用不同的算法（例如，查找__rotate(在GNU g ++的bits/stl_algo.h頭文件中）。

要通過m=std::distance(first,middle)移動n元素，像一個元素的m個旋轉這樣的簡單（天真）算法需要O（n * m）個移動或復制操作。 但是，當每個元素直接放置到其正確位置時，只需要O（n）移動，這導致算法的（大約） m倍。

舉例說明：通過三個元素旋轉字符串s = "abcdefg" ：

abcdefg : store 'a' in temporary place
dbcdefg : move s[3] to s[0] (where it belongs in the end, directly)
dbcgefg : move s[6] to s[3]
dbcgefc : move s[9%7] to s[6] (wrapping index modulo container size: 9%7 == 2)
dbfgefc : move s[5] to s[2]
dbfgebc : move s[1] to s[5] (another wrapping around)
defgebc : move s[4] to s[1]
defgabc : move 'a' from temporary place to s[4]

對於具有最大公約數1的n和m ，您現在就完成了。 否則，您必須為前m個連續元素重復該方案n/m時間（此處假設n > m ）。 這個更復雜的算法要快得多。

對於雙向迭代器，可以使用另一種傳奇的O（3n）算法，稱為“翻轉手”。 根據Jon Bentley的書“ Programming Pearls”，它在早期的UNIX編輯器中用於移動文本：

將雙手放在你面前，一個放在另一個上面，豎起大拇指。 現在

1. 轉一只手。
2. 轉向另一個。
3. 轉動兩者，相互連接。

在代碼中：

reverse(first, middle);
reverse(middle, last);
reverse(first, last);

對於隨機訪問迭代器 ，可以通過swap_ranges() （或POD類型的memmove()操作swap_ranges()重新定位大塊內存。

通過利用匯編程序操作的微優化可以提供少量額外的加速度，它可以在禁食算法之上完成。

使用連續元素而不是在存儲器中“跳轉”的算法也導致現代計算機體系結構上的較少數量的高速緩存未命中。