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c++ - 为什么第二次迭代大量字节时速度明显变慢？以及如何解决？

coder 2023-06-03 原文

这段代码:

#include <memory>
#include <time.h>
#include <chrono>
#include <thread>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void Test( ) {
#define current_milliseconds std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>( std::chrono::system_clock::now( ).time_since_epoch( ) ).count( )
    int *c = ( int* )malloc( 1024 * 1024 * 1024 );
    int result = 0;
    auto millis = -current_milliseconds;
    //clock_t timer = -clock( );
    for ( int i = 0 ; i < 1024 * 1024 * 256 /* 1024 / 4 */; ++i )
        result += c[ i ];
    millis += current_milliseconds;
    printf( "Took: %ldms (JUST PASSING BY: %d)\n", millis, result );
    free( c );
#undef current_milliseconds
}

int main( ) {
    std::this_thread::sleep_for( std::chrono::milliseconds( 1 ) );
    Test( );
    std::this_thread::sleep_for( std::chrono::milliseconds( 1 ) );
    Test( );
    return -1;
}

我进行了 7 次测试并给出了最后 6 次输出:

Took: 502ms (JUST PASSING BY: 0)
Took: 607ms (JUST PASSING BY: 0)

Took: 480ms (JUST PASSING BY: 0)
Took: 588ms (JUST PASSING BY: 0)

Took: 492ms (JUST PASSING BY: 0)
Took: 562ms (JUST PASSING BY: 0)

Took: 506ms (JUST PASSING BY: 0)
Took: 558ms (JUST PASSING BY: 0)

Took: 470ms (JUST PASSING BY: 0)
Took: 555ms (JUST PASSING BY: 0)

Took: 510ms (JUST PASSING BY: 0)
Took: 562ms (JUST PASSING BY: 0)

如果你的输出不同，那么尝试再次运行可执行文件(硬盘缓存未命中)或尝试扩大迭代次数和分配字节数(感受一下)。

请注意，定时器的代码范围仅在循环中，而不是分配；那么问题又来了:为什么第二次迭代更慢？有办法解决吗？

附加信息:

  1. 该 PC 具有 2.8GHZ @ 2 核 (Intel E6300) 处理器、4GB RAM(在执行测试之前有 2.2GB 可用 RAM)和企业级 Intel SSD。
  2. 似乎在执行测试时，它写入了几个 100MB。为什么当它有足够的空闲 RAM 时它会这样做？ (我释放了 1GB，然后又分配了 1GB，它不应该通过 pre-swapfile 它)

最佳答案

我的机器上的输出:

Took: 371ms (JUST PASSING BY: 0)
Took: 318ms (JUST PASSING BY: 0)

对于我希望大多数程序员在尝试您的程序时看到的内容来说，这比较典型。你可以做一个小的改变来获得完全不同的结果:

int *c = (int*)malloc(1024 * 1024 * 1024);
memset(c, 0, 1024 * 1024 * 1024);          // <== added
// etc..

在我的机器上产生:

Took: 104ms (JUST PASSING BY: 0)
Took: 102ms (JUST PASSING BY: 0)

仅通过初始化内存内容即可实现 3 倍的加速。希望它在您的机器上重现，它应该。您需要得出的第一个结论是，您一直在对与代码成本完全不同的东西进行基准测试。现代机器上非常典型的基准风险。

这是按需分页虚拟内存操作系统的行为。像 Windows、Linux 或 OSX。您的 malloc() 调用实际上从未分配任何内存，它只是保留地址空间。只是处理器的数字，每 4096 字节的内存有一个。直到后来，当你真正解决它时，你才支付使用内存的成本。当按需分页功能发挥作用时。

这发生在您的 result += c[ i ]; 语句中。此时踏板必须与金属接触，操作系统被迫实际使内存可用。您的程序每 4096 字节生成一个页面错误。操作系统介入并将 4096 字节的 RAM 映射到虚拟内存页面。您的程序会生成 1GB/4096 = 262,144 个页面错误。您可以得出结论，您的操作系统大约需要 400 毫秒/262144 ~= 1.5 微秒来处理页面错误。我的速度大约是它的两倍。

注意 memset() 调用 隐藏 的成本，它在您开始计时代码执行之前 生成所有页面错误。从而真正衡量代码的成本并避免否则不可避免的初始化开销。

您的第一次运行需要多长时间取决于操作系统使 RAM 可用的速度。从一次尝试到下一次，实际测量可能会有很大差异，这取决于有多少其他进程映射了 RAM 页面。如果操作系统需要先找到空间并取消映射页面，将其内容保留在页面文件中，则可能需要相当长的时间。

第二次运行需要多长时间取决于如果没有足够的 RAM 页面可用于映射另一个 GB，操作系统可以多快回收 RAM 页面。我的问题不大，我有 8 GB 的 RAM，现在只使用了 5.6 个。它们需要进行零初始化，在典型的操作系统上属于低优先级任务。

所以，这里的基本结论:

  • 您正在测量一个初始化成本，它完全不能代表您的程序在继续使用内存时会受到怎样的影响。您的基准照原样不会告诉您任何信息。
  • 您观察到的差异是操作系统的实现细节，它与您的程序没有任何关系。

关于c++ - 为什么第二次迭代大量字节时速度明显变慢？以及如何解决？，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/28987615/

节时ampPASSINGJUSTTookc++performance

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