为什么我插入 STL 列表运行缓慢？答案

【问题标题】：Why is my insertion into STL list running slow?为什么我插入 STL 列表运行缓慢？
【发布时间】：2013-04-06 20:18:57
【问题描述】：

我正在尝试使用邻接表实现无向图。我使用了以下代码：

int v,e;
scanf("%d%d",&v,&e);
list<int> graph[3000];
for(int i=0;i<e;i++){
    int a,b;
    scanf("%d%d",&a,&b);
    graph[a].push_back(b);
    graph[b].push_back(a);
}

为了测试我的代码的运行时间，我创建了一个包含 3000 个顶点和所有可能边的输入文件。运行时间为 2.2 秒。我尝试通过将其更改为二维数组来进行优化，如下所示

int graph[3000][3000];

for(int i=0;i<e;i++){
    int a,b;
    scanf("%d%d",&a,&b);
    graph[a][p[a]]=b;
    graph[b][p[b]]=a;
    p[a]++;
    p[b]++;
}

其中 'p' 的大小为 3000，以全零初始化。对于相同的输入文件，此代码仅在 0.35 秒内运行。我正在使用 gcc-4.3.2 编译器。我知道在列表末尾插入可以在恒定时间内完成，那么为什么第一个代码运行缓慢？有没有机会优化链表实现？

提前致谢

【问题讨论】：

常数时间可以涉及一个很大的常数。

标签： c++ list stl

【解决方案1】：

避免使用std::list。这是一个双向链表，它对缓存非常不友好（节点随机分布在内存中）并且涉及大量开销（每个元素 2 个指针）。因此，每次添加内容时，列表都会分配 2*sizeof(void*)+sizeof(int) 字节以及额外的一些内存管理开销 operator new。

在算法的后面，当你迭代这些值时，你实际上会跳过整个内存，这会更慢。

二维数组没有这个问题，但确实会浪费一些内存。

我通常将邻接表表示为向量的向量。

std::vector<std::vector<int> > graph;

请注意，向量也可以在O(1) 中使用push_back 值（以及std::deque，它可以更快地追加，但在遍历时更慢）。如果预计图是密集的，那么邻接矩阵可能是更好的选择。

【讨论】：

vector::push_back 摊销 O(1)。如果您事先知道大小，您仍然想使用reserve 或resize（您可以使用list 做类似的事情）或std::array 用于固定大小。

【解决方案2】：

插入列表需要分配一个新节点。因此，当您进行 6000 次推回时，您必须进行 6000 次内存分配。在数组的情况下，您根本不需要进行任何分配，因此速度要快得多。这就是全部的区别。

【讨论】：

【解决方案3】：

为了扩展这里的答案，自己实现一个链表类，你会发现它为什么慢。

可以做一些事情，例如实现一个包含容量值、大小值和指向实际列表中第一个节点的指针的列表。该指针实际上是一个动态数组，当 size==capacity 时，数组会调整大小并且容量会增加一些倍数（例如 10）。

缺点是它被限制为 2^(sizeof capacity * CHAR_BIT) - 1 个元素，而每次仅分配节点涉及更长的插入时间，而理论上节点数量不受限制。在最大化更快的列表实现的容量之前，您很可能会耗尽内存，但不能保证这一点，更不用说调整列表的大小通常涉及复制它，因此容量最大值突然变得很大无论如何，它的限制较小。

链接列表通常很慢。它们有其用途，但如果您需要更快的运行时间，找到更好的实现，使用不同的容器（例如 std::vector），或者自己创建解决方案，尽管老实说标准容器做得很好。

【讨论】：