为什么在以下情况下 vector<int> 比 vector<bool> 快答案

【问题标题】：Why vector<int> is faster than vector<bool> in the following case为什么在以下情况下 vector<int> 比 vector<bool> 快
【发布时间】：2015-09-28 10:45:43
【问题描述】：

这个现象是我在编写 LeetCode 问题N-Queens时发现的。

我有两个版本的可接受代码，唯一的区别是我存储哈希表的方式，一个是使用vector<int>，另一个是使用vector<bool>。具体来说，两个版本的代码如下：

版本 1，vector<int>，运行时间：4 毫秒

class Solution {
public:
void dfs(vector<string>& crtrst, vector<vector<string>>& finalrsts, int row, vector<int>& mup, vector<int>& m45dgr, vector<int>& m135dgr)
{
    int n = crtrst.size();
    
    if (row == n)
    {
        finalrsts.push_back(crtrst);
        return;
    }
    
    for (int j=0; j<n; j++)
    {
        if (mup[j] && m45dgr[j-row+n-1] && m135dgr[row+j])
        {
            crtrst[row][j] = 'Q';
            mup[j] = m45dgr[j-row+n-1] = m135dgr[row+j] = 0;
        
            dfs(crtrst,finalrsts,row+1,mup,m45dgr,m135dgr);
        
            crtrst[row][j] = '.';
            mup[j] = m45dgr[j-row+n-1] = m135dgr[row+j] = 1;
        }
    }
}

vector<vector<string>> solveNQueens(int n) 
{
    vector<vector<string>> finalrsts;
    vector<string> crtrst(n,string(n,'.'));
    vector<int> mup(n,1);
    vector<int> m45dgr(2*n-1,1); // degree 45: '\'
    vector<int> m135dgr(2*n-1,1); // degree 135: '/';
    int row = 0;
    dfs(crtrst,finalrsts,row,mup,m45dgr,m135dgr);
    return finalrsts;
}
};

版本 2，vector<bool>，运行时间：12 毫秒

class Solution {
public:
void dfs(vector<string>& crtrst, vector<vector<string>>& finalrsts, int row, 
    vector<bool>& mup, vector<bool>& m45dgr, vector<bool>& m135dgr)
{
    int n = crtrst.size();
    
    if (row == n)
    {
        finalrsts.push_back(crtrst);
        return;
    }
    
    for (int j=0; j<n; j++)
    {
        if (mup[j] && m45dgr[j-row+n-1] && m135dgr[row+j])
        {
            crtrst[row][j] = 'Q';
            mup[j] = m45dgr[j-row+n-1] = m135dgr[row+j] = false;
        
            dfs(crtrst,finalrsts,row+1,mup,m45dgr,m135dgr);
        
            crtrst[row][j] = '.';
            mup[j] = m45dgr[j-row+n-1] = m135dgr[row+j] = true;
        }
    }
}

vector<vector<string>> solveNQueens(int n) 
{
    vector<vector<string>> finalrsts;
    vector<string> crtrst(n,string(n,'.'));
    vector<bool> mup(n,true);
    vector<bool> m45dgr(2*n-1,true); // degree 45: '\'
    vector<bool> m135dgr(2*n-1,true); // degree 135: '/';
    int row = 0;
    dfs(crtrst,finalrsts,row,mup,m45dgr,m135dgr);
    return finalrsts;
}
};

据我所知，vector<bool> 使用 1 位而不是 bool 变量（可能是 2 字节）存储每个元素，vector<int> 使用 4 字节存储每个元素。所以vector<bool> 似乎比vector<int> 更小。但是，为什么比vector<int>慢呢？

【问题讨论】：

直观地说，从压缩存储中打包/解包需要时间，所以我预计 std::vector<int> 的表现优于std::vector<bool>，特别是因为 CPU 实际使用的是寄存器（int-sized 或更大）。
请问您使用的是哪种编译器？
这是一个很好的例子，说明程序员的直觉在预测性能行为时经常出错。
@DawidPi，我根据 LeetCode Online Judge 报了时间。所以我不知道它使用什么编译器。

标签： c++ vector

【解决方案1】：

访问单个位通常比访问完整的可寻址单元（C++ 术语中的字节）慢。例如，要写入一个字节，您只需发出一条写入指令（x86 上的 mov）。要写入位，您需要加载包含它的字节，使用位运算符设置字节内的正确位，然后存储结果字节。

位向量的紧凑尺寸非常适合存储需求，但它会导致速度变慢，除非您的数据变得足够大以至于缓存问题发挥作用。

如果您想获得速度并且仍然比每个值 4 字节更有效，请尝试vector<unsigned char>。

【讨论】：

为什么 vector<unsigned char> 会比 vector<bool> 快？我用我的桌面测试了差异（unsigned char 和 bool 都被评估为 1 byte ），vector<bool> 的结果比vector<unsigned char> 慢 3 倍。我无法弄清楚细节，因为它们都是 1 字节。
不，他们不是。具体来说，vector<bool> 不会将每个布尔值存储为单独的字节；相反，它将它们作为位打包在一起。这使其存储效率更高，但速度更慢。这就是问题的全部意义所在。

【解决方案2】：

我的解释：

vector<type> 专门用于bool，这是一个位图；这在存储方面效率很高（向量存储的 1Byte = 8 bool），但在实际访问数据时更差；对于任何其他vector，您可以通过*([address of first element + n * sizeof(element)]) 访问位于nth 位置的元素，但是为了获得bool-out-of-byte 存储，您将不可避免地需要进行一些位操作，在大缓存的情况下，这可能比仅拥有一组 ints 慢得多，每个数组代表一个真值。

【讨论】：