为什么我的 Java Merge-Sort 比我的 C++ 实现快？

Question

我在 Java 和 C++ 中实现了合并排序，并尝试尽可能相似地实现它们。两种算法都有效，我对它们进行了多次测试。问题是我的 Java 实现比我的 C++ 实现快得多，我想知道为什么。我不敢相信 Java 会更快，所以我想我在其中一个实现中犯了一个错误。为了测量运行时间，我创建了一个类“Person”，它有两个字符串属性（名字、姓氏）。在 C++ 中我使用了std::vector<Person*>，在 Java 中我使用了ArrayList<Person>。此外，我在 C++ 中重载了operator< 来比较两个人（比较姓氏，如果相等则比较名字）。在 Java 中，我实现了接口Comparable<Person> 来比较两个人。

您能找到我的代码中的错误或 Java 更快或 C++ 更慢的原因吗？任何帮助将不胜感激。

我的 Java 代码：

public void mergeSort(List<T> list) {
    if (list.size() <= 1) {
        return;
    }

    int subLength = (int) (list.size() / 2);
    List<T> first = new ArrayList<T>(list.subList(0, subLength));
    List<T> second = new ArrayList<T>(list.subList(subLength, list.size()));


    mergeSort(first);
    mergeSort(second);

    merge(first, second, list);
    return;
}

private void merge(List<T> first, List<T> second, List<T> result) {
    int firstPos = 0, secondPos = 0, resultPos = 0;

    while (firstPos < first.size() && secondPos < second.size()) {
        if (first.get(firstPos).compareTo(second.get(secondPos)) < 0) {
            result.set(resultPos, first.get(firstPos));
            firstPos++;
        } else {
            result.set(resultPos, second.get(secondPos));
            secondPos++;
        }
        resultPos++;
    }

    for (int i = firstPos; i < first.size(); i++) {
        result.set(resultPos, first.get(i));
        resultPos++;
    }
    for (int i = secondPos; i < second.size(); i++) {
        result.set(resultPos, second.get(i));
        resultPos++; 
    }
}

我的 C++ 代码：

注意：我使用了两个模板方法来使合并排序可用于 Person 和 Person*。

template<typename T>
    T * ptr(T & obj) { return &obj; } 

    template<typename T>
    T * ptr(T * obj) { return obj; }


void mergeSort(std::vector<T> &list) {
        if (list.size() <= 1) {
            return;
        }

        int subLength = (int)(list.size() / 2);
        std::vector<T> first(list.begin(), list.begin() + subLength);
        std::vector<T> second(list.begin() + subLength, list.end());

        mergeSort(first);
        mergeSort(second);

        merge(first, second, list);

    }
void merge(const std::vector<T> &first, const std::vector<T> &second, std::vector<T> &result) {
        int firstPos = 0, secondPos = 0, resultPos = 0;
        while (firstPos < first.size() && secondPos < second.size()) {
            if (*ptr(first[firstPos]) < *ptr(second[secondPos])) {
                result[resultPos] = first[firstPos];
                firstPos++;
            }
            else {
                result[resultPos] = second[secondPos];
                secondPos++;
            }
            resultPos++;
        }

        for (int i = firstPos; i < first.size(); i++) {
            result[resultPos] = first[i];
            resultPos++;
        }
        for (int i = secondPos; i < second.size(); i++) {
            result[resultPos] = second[i];
            resultPos++;
        }
    }

编辑 1 和 2：

我的设置配置：

我使用了 100 万人、1000 万人和 2000 万人来测试实施。我用多少人测试它并不重要，Java 总是更快。

我通过以下方式对其进行测试：我创建人员并初始化我的MergeSort-class。然后我开始测量并调用我的mergeSort-方法。分类完成后，我停止测量。 （删除发生在时间测量之后）。对于 Java 中的时间测量，我使用 System.nanoTime()，在 C++ 中我使用 chrono::high_resolution_clock::time_point

当然，我在“发布”模式下编译了 C++（优化：O2，首选更快的代码）。

我的测试电脑：

• 英特尔 i5 2500
• 8GB DDR3 内存
• Windows 10 教育版

编辑3：

有一件事我忘了提。为了使用简单的数据类型和对象，我以一种通用的方式实现了该算法。当我在 Java 中使用 std::vector<int> 和 ArrayList<Integer> 时，我的 C++ 实现要快得多。我的第一次尝试是使用std::vector<Person>，但速度更慢。所以我的猜测是它制作了深拷贝而不是浅拷贝，这就是我切换到Person* 的原因，因为我认为当复制发生时，只会复制指针。

Answer 1

TL;DR - Java 版本的数组复制要少得多。

ArrayList 的 ArrayList constructor (see line 167) 在传递 Collection 时使用 Collection.toArray() 和可选的 Arrays.copyOf（如果需要）。 如果是ArrayList，则无需复制 - toArray() 返回对底层数组的引用。

还要注意if (elementData.getClass() != Object[].class) 将导致数组不再被复制。

ArrayList 对象上的 Java List.subList 不会复制任何底层数组，它只返回一个由原始数组支持但仅限于所需元素的 ArrayList。

因此 - 在某些情况下，整个机制使用实际上只是引用原始数组的子列表 - 不需要复制。

对 C++ 不太熟悉，但我怀疑有很多数组复制和分配正在进行，而 Java 不需要这样做。

添加 - 正如@ThomasKläger 正确指出的那样，ArrayList.toArray 实际上确实返回了数组的防御性副本 - 所以我在上面错了。

Answer 2

我在您的陈述中看到的 1^st 件事之一：

在时间测量之后进行删除

您说的是删除Person 对象，您显然不是说容器，例如C++ 在堆栈上创建和清理的first 和second：

std::vector<T> first(list.begin(), list.begin() + subLength);
std::vector<T> second(list.begin() + subLength, list.end());

当 Java 在堆上创建它们并且直到它解决它们才清理它们（所以在你停止计时之后）：

List<T> first = new ArrayList<T>(list.subList(0, subLength));
List<T> second = new ArrayList<T>(list.subList(subLength, list.size()));

因此，您将 C++ 与容器清理和 Java 一起计时。

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我在这里要问一下，编写自己的归并排序有什么意义？最好的 Java 和 C++ 代码将使用该语言已经提供的排序算法。如果您希望至少对优化算法进行计时。

另外，我不会在时间比较上投入大量精力。 C++ 会更快，通常也需要更多的工作来编写。如果速度对你来说足够重要，以至于你可能想要使用 C++。如果开发时间为王，那么您将希望使用 Java。