为什么 Swift 在 for-in 循环中使用下标语法比使用直接访问元素更快？

Question

我阅读了著名的Why is it faster to process a sorted array than an unsorted array?，并决定尝试使用其他语言，例如 Swift。我对 2 个非常相似的 sn-ps 代码之间的运行时间差异感到惊讶。

在 Swift 中，可以直接访问数组中的元素，也可以在 for-in 循环中使用下标访问元素。例如这段代码：

for i in 0..<size {
    sum += data[i]
}

可以写成：

for element in data {
    sum += element
}

size 具有 data 长度和 data 可求和元素数组。

所以，我刚刚在 Swift（下面的代码）中实现了与我在第一段中提到的问题相同的算法，令我惊讶的是，第一种方法比第二种方法快大约 5 倍。

我不太了解后台下标的实现，但我认为直接访问 Swift for-in 循环中的元素只是语法糖。

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问题

我的问题是这两种for-in 语法有什么区别，为什么使用下标更快？

这里是计时器的详细信息。我在带有 Commande Line 项目的 2015 年初 MacBook Air 上使用 Xcode 9.4.1 和 Swift 4.1。

// Using Direct Element Access
Elapsed Time: 8.506288427
Sum: 1051901000

对

// Using Subscript
Elapsed Time: 1.483967902
Sum: 1070388000

额外问题：为什么 Swift 的执行速度比 C++ 慢 100 倍（两者都在同一个 Mac 上的 n Xcode 项目中执行）？例如，C++ 中 100,000 次重复所花费的时间几乎与 Swift 中 1,000 次重复所花费的时间相同。我的第一个猜测是 Swift 是一种比 C++ 更高级的语言，例如 Swift 会进行更多的安全检查。

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这是我使用的 Swift 代码，我只修改了第二个嵌套循环：

import Foundation
import GameplayKit

let size = 32_768
var data = [Int]()
var sum  = 0
var rand = GKRandomDistribution(lowestValue: 0, highestValue: 255)

for _ in 0..<size {
    data.append(rand.nextInt())
}

// data.sort()

let start = DispatchTime.now()

for _ in 0..<1_000 {
    // Only the following for-in loop changes
    for i in 0..<size {
        if data[i] <= 128 {
            sum += data[i]
        }
    }
}

let stop     = DispatchTime.now()
let nanoTime = stop.uptimeNanoseconds - start.uptimeNanoseconds
let elapsed  = Double(nanoTime) / 1_000_000_000

print("Elapsed Time: \(elapsed)")
print("Sum: \(sum)")

Answer 1

整体性能输出很大程度上取决于编译器所做的优化。如果您在启用优化的情况下编译代码，您会发现两种解决方案之间的差异很小。

为了证明这一点，我更新了您的代码，添加了两种方法，一种使用subscripting，另一种使用for-in。

import Foundation
import GameplayKit

let size = 32_768
var data = [Int]()
var sum  = 0
var rand = GKRandomDistribution(lowestValue: 0, highestValue: 255)

for _ in 0..<size {
    data.append(rand.nextInt())
}

// data.sort()

func withSubscript() {
  let start = DispatchTime.now()

  for _ in 0..<1_000 {
      for i in 0..<size {
          if data[i] <= 128 {
              sum += data[i]
          }
      }
  }

  let stop    = DispatchTime.now()
  let elapsed = Double(stop.uptimeNanoseconds - start.uptimeNanoseconds) / 1_000_000_000

  print("With subscript:")
  print("- Elapsed Time: \(elapsed)")
  print("- Sum: \(sum)")
}

func withForIn() {
  let start = DispatchTime.now()

  for _ in 0..<1_000 {
      for element in data {
          if element <= 128 {
              sum += element
          }
      }
  }

  let stop    = DispatchTime.now()
  let elapsed = Double(stop.uptimeNanoseconds - start.uptimeNanoseconds) / 1_000_000_000

  print("With for-in:")
  print("- Elapsed Time: \(elapsed)")
  print("- Sum: \(sum)")
}

withSubscript()
withForIn()

我将该代码保存到一个名为 array-subscripting.swift 的文件中。

然后，我们可以从命令行运行它而无需任何优化，如下所示：

$ swift array-subscripting.swift 
With subscript:
- Elapsed Time: 0.924554249
- Sum: 1057062000
With for-in:
- Elapsed Time: 5.796038213
- Sum: 2114124000

正如您在帖子中提到的，性能存在很大差异。

当使用优化编译代码时，这种差异可以忽略不计：

$ swiftc array-subscripting.swift -O
$ ./array-subscripting 
With subscript:
- Elapsed Time: 0.110622556
- Sum: 1054578000
With for-in:
- Elapsed Time: 0.11670454
- Sum: 2109156000

如您所见，这两种解决方案都比以前快得多，而且执行时间非常相似。

回到您最初的问题，subscripting 提供对内存的直接访问，这在连续数组的情况下非常有效，其中元素彼此相邻存储在内存中。

另一方面，for-in 循环会为数组中的每个元素创建一个不可变副本，这会导致性能下降。