为什么在这种情况下STL priority_queue并不比multiset快多少

Why is the STL priority_queue not much faster than multiset in this case?

本文关键字：multiset 多少 queue 这种情况下 STL priority 为什么      更新时间：2023-10-16

我正在比较STL（g++）priority_queue的性能，发现推送和弹出没有我预期的那么快。请参阅以下代码：

#include <set>
#include <queue>
using namespace std;
typedef multiset<int> IntSet;
void testMap()
{
    srand( 0 );
    IntSet iSet;
    for ( size_t i = 0; i < 1000; ++i )
    {
        iSet.insert(rand());
    }
    for ( size_t i = 0; i < 100000; ++i )
    {
        int v = *(iSet.begin());
        iSet.erase( iSet.begin() );
        v = rand();
        iSet.insert(v);
    }
}
typedef priority_queue<int> IntQueue;
void testPriorityQueue()
{
    srand(0);
    IntQueue q;
    for ( size_t i = 0; i < 1000; ++i )
    {
        q.push(rand());
    }
    for ( size_t i = 0; i < 100000; ++i )
    {
        int v = q.top();
        q.pop();
        v = rand();
        q.push(v);
    }
}
int main(int,char**)
{
   testMap();
   testPriorityQueue();
}

我编译了这个-O3，然后运行valgrind--tool=callgrind，KCachegrindtestMap占用总CPU的54%testPriorityQueue占用CPU 的44%

（没有-O3 testMap比testPriorityQueue快得多）testPriorityQueue似乎花费了大部分时间的函数称为

void std::__adjust_heap<__gbe_cxx::__normal_iterator<int*, std::vector<int, std::allocator<int> > >, long, int, std::less<int> >

该函数似乎是从pop（）调用中调用的。

这个函数到底做什么？有没有一种方法可以通过使用不同的容器或分配器来避免这种情况？

优先级队列被实现为堆：每次删除head元素时，都必须"重新平衡"。在链接描述中，delete-min是O(log n)操作，实际上是因为min（或head）元素是扁平二叉树的根。

集合通常被实现为红黑树，最小元素将是最左边的节点（所以要么是叶子，要么最多有一个右边的子节点）。因此，它最多有一个子级要移动，并且可以根据允许的不平衡程度，在多个pop调用中摊销再平衡。

请注意，如果堆有任何优势，那么它很可能位于引用的位置（因为它是连续的，而不是基于节点的）。这正是可能更难准确测量的优势，所以我建议在接受这个结果之前也运行一些经过的实时基准测试。

我实现了一个优先级队列，当使用-O3编译时，它似乎运行得更快。也许只是因为编译器比STL情况下能够内联更多？

#include <set>
#include <queue>
#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;
typedef multiset<int> IntSet;
#define TIMES 10000000
void testMap()
{
    srand( 0 );
    IntSet iSet;
    for ( size_t i = 0; i < 1000; ++i ) {
        iSet.insert(rand());
    }
    for ( size_t i = 0; i < TIMES; ++i ) {
        int v = *(iSet.begin());
        iSet.erase( iSet.begin() );
        v = rand();
        iSet.insert(v);
    }
}
typedef priority_queue<int> IntQueue;
void testPriorityQueue()
{
    srand(0);
    IntQueue q;
    for ( size_t i = 0; i < 1000; ++i ) {
        q.push( rand() );
    }
    for ( size_t i = 0; i < TIMES; ++i ) {
        int v = q.top();
        q.pop();
        v = rand();
        q.push(v);
    }
}

template <class T>
class fast_priority_queue
{
public:
    fast_priority_queue()
        :size(1) {
        mVec.resize(1); // first element never used
    }
    void push( const T& rT ) {
        mVec.push_back( rT );
        size_t s = size++;
        while ( s > 1 ) {
            T* pTr = &mVec[s];
            s = s / 2;
            if ( mVec[s] > *pTr ) {
                T tmp = mVec[s];
                mVec[s] = *pTr;
                *pTr = tmp;
            } else break;
        }
    }
    const T& top() const {
        return mVec[1];
    }
    void pop() {
        mVec[1] = mVec.back();
        mVec.pop_back();
        --size;
        size_t s = 1;
        size_t n = s*2;
        T& rT = mVec[s];
        while ( n < size ) {
            if ( mVec[n] < rT ) {
                T tmp = mVec[n];
                mVec[n] = rT;
                rT = tmp;
                s = n;
                n = 2 * s;
                continue;
            }
            ++n;
            if ( mVec[n] < rT ) {
                T tmp = mVec[n];
                mVec[n] = rT;
                rT = tmp;
                s = n;
                n = 2 * s;
                continue;
            }
            break;
        }
    }
    size_t size;
    vector<T> mVec;
};
typedef fast_priority_queue<int> MyQueue;
void testMyPriorityQueue()
{
    srand(0);
    MyQueue q;
    for ( size_t i = 0; i < 1000; ++i ) {
        q.push( rand() );
    }
    for ( size_t i = 0; i < TIMES; ++i ) {
        int v = q.top();
        q.pop();
        v = rand();
        q.push(v);
    }
}

int main(int,char**)
{
    clock_t t1 = clock();
    testMyPriorityQueue();
    clock_t t2 = clock();
    testMap();
    clock_t t3 = clock();
    testPriorityQueue();
    clock_t t4 = clock();
    cout << "fast_priority_queue: " << t2 - t1 << endl;
    cout << "std::multiset: " << t3 - t2 << endl;
    cout << "std::priority_queue: " << t4 - t3 << endl;
}

当在64位Linux上用g++4.1.2标志：-O3编译时，这给了我：

fast_priority_queue: 260000
std::multiset: 620000
std::priority_queue: 490000
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