算法：改进 C++ 排序 [关闭]答案

【问题标题】：Algorithm: improve c++ sorting [closed]算法：改进 C++ 排序 [关闭]
【发布时间】：2020-12-22 15:47:28
【问题描述】：

我有一个程序要求输入N-numbers (Nint-s。我有以下代码：

#include <iostream> 
#include <vector>
#include <algorithm> 
using namespace std;

int main()
{
    int n,x;
    cin >> n;        
    vector<int> v;
    
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        cin >> x;
        v.push_back(x);
    }
    
    sort(v.begin(), v.begin() + n);
    
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        cout << v[i];
    }
    return 0;
}

但是当我在测试服务器上运行它时，一项测试失败了。而且好像不符合1秒的时间限制。

【问题讨论】：

v中的数字范围是多少？
我们不知道它是在 std::sort 还是在 iostream 中花费更多时间。（注释掉排序，看看你是否仍然得到一个时间失败？）你也可以尝试一个排序容器，因为你一次得到一个数字。
使用当前机器，运行时间应该低于 1 秒。在我的机器（Ryzen 3）上，{ echo 100000; shuf -i1-100000; } | /tmp/a.out 需要 1/10 秒。
如果您确定代码产生正确的结果，请尝试分析以找到瓶颈。
为什么不v.end()？如果您知道所需的容量，请.reserve()。这可能是您的瓶颈。

标签： c++ algorithm sorting

【解决方案1】：

随着vector 的增长，它有时需要重新定位所有数据。如果可以避免这种情况，通常会更快。

一种方法是reserve 知道您需要的元素数量。另一种方法是从一开始就使用正确数量的元素创建vector。

vector<int> v(n);                 // created with n elements
    
for(auto& x : v) cin >> x;        // a range-based for loop (no push_back needed)

//sort(v.begin(), v.begin() + n); // no, why  begin() + n?  Do:
sort(v.begin(), v.end());

for(auto x : v) cout << x;        // another range-based for loop

可能加速排序的一件事（需要 C++17）是使用接受 ExecutionPolicy 的重载并查看实现是否支持并行排序：

#include <execution>

    //...

    sort(std::execution::par, v.begin(), v.end()); // try sorting in parallel

我为三种情况创建了quick-bench test：

根本不使用n 的知识来预留空间，让它重新分配。
使用reserve(n)
使用n 来创建v 并在构造时具有正确的大小

结果：

vector 的初始化确实 come with some cost。这是上述获胜者与使用从原始new[] 创建的unique_ptr<int[]> 之间的比较：

总结一下：使用并行排序和填充¹可以加快排序可能您的v可以设为~26 times faster 比你当前的实现：

^{1 - 填充，我指的是v的实际填充，不包括读取值}

【讨论】：

我怀疑重新分配是个问题，但是带有引用的基于范围的循环非常好。
@KellyBundy 谢谢！重新分配/重定位通常证明代价高昂，所以如果从一开始就知道要分配多少元素，那肯定会有所帮助。 example - 在示例中，当 N == 100000 时有 18 个重新分配，并且移动的元素总数可能很大。不过，我并没有对此进行真正的测试，但是，这很容易避免，并且据我所知只能提供帮助。 :)
是的，但是 push_back 仍然以低常数摊销 O(1)。元素平均被（重新）写入 2 到 3 次。在这种情况下只有2.0486 times。并且重定位是非常低级的并且对缓存非常友好。我希望 OP 告诉我们来源，以便我们可以在那里进行测试。现在我的猜测是它是 IO，也许 OP 甚至没有向我们展示他们的真实代码，而是他们使用endl 删除的版本。我的意思是，如果不区分打印的数字，我希望他们的代码在第一个和小的测试用例中被拒绝，甚至不会在大的测试用例中得到测试。
哦，我刚刚注意到的另一件事：vector<int> v(n); 也需要一些时间，对吧？至少在某个时候它会写 n 个零？除非有一些诡计，比如操作系统已经有真正的预置零内存可用。但我不会指望这一点。因此，按照您的方式，您将平均 2 次写入，一次用于初始零，一次用于实际值。与 2.0486 几乎相同。当然，零可能会更快，但仍然如此。
@KellyBundy 也许删除一些 C++ 开销可以使输出更好。我没有查看您正确呈现的数字，但我感觉您更喜欢分配一大块（未初始化）？如果向量的初始化变得昂贵，我完全赞成。不久前我制作了几个版本的容器。它们在哪里用于 2D 容器，我还注意到，当我知道我会在阅读之前写下它们时让它们未初始化，一切都变得更快。 old tinkering

【解决方案2】：

您可以改进代码的一件事是v.push_back(x); 这一行。可以在vector<int> v;后面加一行预分配内存v.reserve(n);；

这样你就不会一次又一次地重新分配内存。

【讨论】：

【解决方案3】：

这几乎是你实际做的更快。您确定没有更快的方法来解决排序问题吗？也许您只需要最大或最小的数字？

如果您想榨取剩余的性能收益：

vector<int> v;
v.reserve(n); // this will help a bit

解决a.Li的评论：

如果数字的范围很小，您可以简单地计算每个数字出现的次数。对于多达一万的数值，这可能会更快。

【讨论】：