两个代码段之间执行时间的奇怪差异

Weird difference in execution time between two code segments

本文关键字：执行时间 两个 代码 段之间 之间      更新时间：2023-10-16

所以我想看看在比较之前不将变量的值复制到另一个变量中，可以在多大程度上提高程序的性能(这将在示例中得到更好的解释)，我注意到了一些奇怪的事情。我有这两个代码段：

string a = "";
for (int i = 0; i < 1000000; i++) a += 'a';
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
if ('b' == a.at(i));//compare the two chars directly
}

和

string a = "";
for (int i = 0; i < 100000000; i++) a += 'a';
for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
char c = a.at(i);//declare a new variable
if ('b' == c);//compare the char with the newly created variable,
//instead of comparing it to the other char directly
}

我认为第二个段的执行时间会更长，因为与第一个段相比，声明的变量多了一个。当我真正计时两个时，我发现第二个比第一个花的时间更短。我对它进行了几次计时，第二次执行的时间似乎总是少0.13秒左右。这是完整的代码：

#include <string>
#include <iostream>
#include <ctime>
using namespace std;
int main() {
clock_t timer;
string a = "";
string b;
for (int i = 0; i < 100000000; i++)
a += "a";
timer = clock();
for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
if ('b'==a.at(i)) b += "a";
}
cout << (clock()-timer)/(float)CLOCKS_PER_SEC << "sec" << endl;
timer = clock();
for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
char c = a.at(i);
if ('b'==c) b += "a";
}
cout << (clock()-timer)/(float)CLOCKS_PER_SEC << "sec" << endl;
return 0;
}

为什么会发生这种情况？

编辑：我遵循了NathanOliver的建议，为每个循环添加了单独的字符串，所以现在代码看起来是这样的：

#include <string>
#include <iostream>
#include <ctime>
using namespace std;
int main() {
clock_t timer;
string compare_string_1 = "";
string compare_string_2 = "";
string segment_1 = "";
string segment_2 = "";
for (int i = 0; i < 100000000; i++)
compare_string_1 += "a";
for (int i = 0; i < 100000000; i++)
compare_string_2 += "a";
timer = clock();
for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
if ('b'==compare_string_1.at(i)) segment_1 += "a";
}
cout << (clock()-timer)/(float)CLOCKS_PER_SEC << "sec" << endl;
timer = clock();
for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
char c = compare_string_2.at(i);
if ('b'==c) segment_2 += "a";
}
cout << (clock()-timer)/(float)CLOCKS_PER_SEC << "sec" << endl;
return 0;
}

使用Visual C++2010，我得到了与上面评论中相同的计时结果——平均而言，第二个循环占用的运行时间约为第一个循环的80%。有一两次，第一个循环有点快，但这可能是由于操作系统中的一些线程问题。检查拆卸结果如下：

第一个循环：

01231120  cmp         dword ptr [ebp-38h],esi  
01231123  jbe         main+1CBh (123120Bh)  
01231129  cmp         dword ptr [ebp-34h],10h  
0123112D  mov         eax,dword ptr [ebp-48h]  
01231130  jae         main+0F5h (1231135h)  
01231132  lea         eax,[ebp-48h]  
01231135  cmp         byte ptr [eax+esi],62h  
01231139  jne         main+108h (1231148h)  
0123113B  mov         ebx,1  
01231140  lea         eax,[ebp-80h]  
01231143  call        std::basic_string<char,std::char_traits<char>,std::allocator<char> >::append (1231250h)  
01231148  inc         esi  
01231149  cmp         esi,5F5E100h  
0123114F  jl          main+0E0h (1231120h)

第二个循环：

01231155  cmp         dword ptr [ebp-1Ch],esi  
01231158  jbe         main+1CBh (123120Bh)  
0123115E  cmp         dword ptr [ebp-18h],10h  
01231162  mov         eax,dword ptr [ebp-2Ch]  
01231165  jae         main+12Ah (123116Ah)  
01231167  lea         eax,[ebp-2Ch]  
0123116A  cmp         byte ptr [eax+esi],62h  
0123116E  jne         main+13Dh (123117Dh)  
01231170  mov         ebx,1  
01231175  lea         eax,[ebp-64h]  
01231178  call        std::basic_string<char,std::char_traits<char>,std::allocator<char> >::append (1231250h)  
0123117D  inc         esi  
0123117E  cmp         esi,5F5E100h  
01231184  jl          main+115h (1231155h)

由于生成的程序集看起来或多或少相同，我考虑了操作系统或CPU中的节流机制，你猜怎么着？添加睡眠(5000)导致第二个循环(几乎)总是比第一个循环慢。运行20次，第二个循环平均占用第一个循环运行时间的150%左右。

编辑：将自旋数增加五倍会得到相同的结果。我认为大约0.5秒的运行时间或多或少是可以可靠测量的。：-)

我认为，在原始代码中，操作系统可能需要几个时间片来检测CPU负载，然后在调度期间开始赋予线程更多的优先级，而且CPU可能会在一段时间后提升，使第一个循环的部分"未提升"。当第二个循环开始执行时，OS/CPU可能会为繁重的工作负载做好准备，并执行得更快。MMU或操作系统内部内存页面处理也可能发生同样的情况。当在循环之间添加Sleep时，可能会发生相反的情况，导致操作系统将线程搁置一段时间，直到最终检测到新的工作负载，从而使第二个循环的执行速度稍慢。

你的结果是什么？有没有人手头有像英特尔放大器这样的合适的分析器来测量CPI率和CPU速度在循环中的步进？

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