为什么当元素数量很少时向量优于列表？

Question

Bjarne Stroustrup 在他的《The C++ Programming Language (4th Edition)》一书中指出：

请注意，vector 通常是（令人惊讶的是，除非您 了解机器架构）比list 更有效 小元素的短序列（即使是 insert() 和 erase()）。

他没有进一步详细说明，所以我想知道为什么它是正确的，以及这些序列大概有多短（即元素的数量）？

Answer 1

...以及这些序列的大致长度

正确答案是：你必须测量。

这取决于您在容器中存储的内容、构建、复制和移动该类型的成本、它的大小以及您的访问和插入模式。

它也会因机器和可能的编译器而异。

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回答你问题的第一部分：

...所以我想知道为什么它是真的...

在这种情况下它是正确的，原因是向量的连续和最小填充的内存布局与现代 CPU 的缓存子系统的协作比列表的更好。

• vector

  • 您的循环可能类似于

    for (size_t i=0; i < v.size(); ++i) {
    

    其中v.size() 通常只能调用一次，并且i 都可以放入寄存器。如果其他依赖项允许，分支预测可以很好地允许多个连续迭代交错运行，从而保持指令流水线满

  • 您的下一次访问 (v[i+1]) 可能已经在缓存中，因此速度非常快。要么和v[i]在同一个缓存行，要么下一个，顺序读取相对容易预取

  • 无论您的多少值适合一个高速缓存行，这就是您获得的每个高速缓存行的数量。之间没有（不必要的）填充，因此没有不必要的缓存未命中

• list

  • 您的循环可能类似于

    for (list::const_iterator i=l.begin(); i != l.end(); ++i) {
    

    i 的每个连续值都必须从内存中加载（通过前一个节点的指针）

  • 您的下一次访问 (*++i)可能已经在缓存中，但是：

  1234563如果您的值与指针大小相同（我们讨论的是小值），那么使用列表在缓存行中获得三分之一的数据，导致缓存未命中数增加三倍。

• 另请注意，下一次迭代的推测执行取决于加载值而不是增加寄存器：这里的缓存未命中不仅本身速度较慢，而且还会停止推测执行

Answer 2

我认为这是因为列表使用动态方法来扩展列表（可能是指向下一个列表的指针，以便您可以轻松地插入特定位置而无需重新排列内存）。而向量实际上是一个简单的数组，带有一些漂亮的糖衣以使其更易于使用（如果您使用正确的函数，则边界问题有可选的例外）。

基本上，当你实例化一个向量时，它会分配一个 T 类型的小数组。当你最后推送一个新项目时，它只是将值写入已经分配的空间，如果你还没有变得太大的话.但是，当您添加到列表时，它必须分配内存并将该位置存储在各种指针中（我在这里猜测，但这就是链表的工作方式）。如果您知道向量有多大（或者可以合理猜测），那么它非常有效。但是，一旦超过了它的底层数组的大小，它就必须为新扩大的数据结构重新分配内存，然后复制所有内容。这对于将向量增长到大尺寸是非常昂贵的。在我的脑海中，向量呈指数增长，因此在几次失败后故障数量会减少，但它仍然非常昂贵。