用作数组安全封装的结构的 C++ 性能答案

【问题标题】：C++ Performance of structs used as a safe packaging of arrays用作数组安全封装的结构的 C++ 性能
【发布时间】：2010-08-05 21:46:47
【问题描述】：

在 C 或 C++ 中，不检查数组是否越界。解决此问题的一种方法是将其与结构一起打包：

struct array_of_foo{
  int length;
  foo *arr; //array with variable length.
};

然后，就可以初始化了：

array_of_foo *ar(int length){
  array_of_foo *out = (array_of_foo*) malloc(sizeof(array_of_foo));
  out->arr = (foo*) malloc(length*sizeof(foo));
}

然后访问：

foo I(array_of_foo *ar, int ix){ //may need to be foo* I(...
   if(ix>ar->length-1){printf("out of range!\n")} //error
   return ar->arr[ix];
}

终于解放了：

void freeFoo(array_of_foo *ar){ //is it nessessary to free both ar->arr and ar?
  free(ar->arr); free(ar);
}

这样它可以警告程序员越界。但是这种包装会大大减慢性能吗？

【问题讨论】：

【解决方案1】：

我同意std::vector 的建议。此外，您可以尝试 boost::array 库，其中包括固定大小的数组容器的完整（和测试）实现：

【讨论】：

【解决方案2】：

在 C++ 中，无需自己编写不完整的vector 版本。（要对vector 进行边界检查，请使用.at() 而不是[]。如果超出范围，它将引发异常。）

在 C 中，这不一定是一个坏主意，但我会将指针放在初始化函数中，然后返回结构。它有一个 int 和一个指针，不会很大，通常不超过指针大小的两倍。无论如何，您可能不希望在访问函数中包含随机的printfs，因为如果您确实超出了界限，您会收到随机消息，即使您查找它们也不会很有帮助。

【讨论】：

【解决方案3】：

主要的性能损失很可能来自检查每次访问的索引，从而破坏处理器中的流水线，而不是额外的间接性。在我看来，优化器不太可能在绝对不需要时找到优化检查的方法。
例如，这在遍历整个数组的长循环中会非常明显——这是一种相对常见的模式。

只是为了它：
- 你也应该在ar()
中初始化长度字段 - 你应该在I() 中检查ix < 0

【讨论】：

static inline int check(int i, int *l) { return i > *l; } int main() { int a = 5; for (int i = 0; i < 5; ++i) { if (check(i,&a)) printf("never"); }。带有 -O3 的 gcc 优化了整个循环，因此优化器在某些情况下有一些希望删除边界检查。我不知道 C 编译器是否会像 JIT 那样用单个检查替换多个边界检查。
如果程序足够清晰，一个好的编译器应该能够优化常见情况（编译器必须能够跟踪保存长度和索引的变量的所有别名）。至于处理器流水线，我想看看一些基准；处理器也有乐观的分支执行，正是为了更好地利用流水线。
gcc 没有做我希望的循环提升。 check 和以前一样，然后是 int main(int argc, char **argv) { int a = atoi(argv[1]); int b = 1; for (int i = 0; i < 7; ++i) { if (check(i,&a)) b = 0; } printf("%d\n", b);}。生成的代码调用 atoi，然后依次将结果与 0 .. 5 进行比较。随着循环展开。
在遍历整个数组的长循环中，应该可以完美预测分支。
@Steve, @caf：因为每个测试都是针对任意内存位置（而不是常量，如您的示例）进行的，可以使用不可预测的值进行设置（例如系统的结果调用），循环展开变得无关紧要，优化也不是微不足道的。

【解决方案4】：

我没有任何正式的研究可以引用，但我从数组绑定检查是可选的语言中得到的回声是，关闭它很少会明显加快程序速度。

如果您有想要更安全的 C 代码，您可能会对 Cyclone 感兴趣。

【讨论】：

【解决方案5】：

您可以自己测试，但在某些机器上，您可能会在不同情况下遇到严重的性能问题。如果您要循环数百万个元素，那么每次检查边界都会导致大量缓存未命中。这将产生多大的影响取决于您的代码在做什么。同样，您可以很快地对此进行测试。

【讨论】：