Списки и последовательный доступ в C++

автор evteev, Дек.14, 2010, рубрики C/C++/C#

Список как структура для хранения данных известна достаточно �?ироко. Фактически, наверняка в любом курсе программирования ее изучают в том или ином виде. Но то, что обычно усваивает студент (читать: «будущий программист») заключается примерно в следующем:

Списки организуются на динамической памяти. Динамическая память, по мнению студента, это то, что можно получить при помощи операторов new и удалить dispose.

Списки организуются при помощи одного указателя на голову списка и, включенных в каждый элемент, указателей на следующий элемент списка. Точнее, может присутствовать указатель и на предыдущий элемент, а также указатель на хвост списка, это не суть важно.

Кроме этого, средний студент часто путает список с очередью: все дело в том, что обычно на лабораторных работах дается задание реализовать очередь, выбрав для ее внутреннего устройства список. На самом деле, очередь это «нечто», что позволяет поместить туда элемент и получить его согласно правилу FIFO («First In, First Out» — «Первый во�?ел, первый вы�?ел»).

Тем не менее, я не хотел обижать студентов, совсем нет. Просто очень часто, если практически не постоянно можно увидеть один и тот же подход: организацию списков при помощи указателей. Проблема заключается в том, что такая реализация списков не единственна и достаточно часто не эффективна.

Допустим, программист реализует некую структуру данных, основываясь на хе�?-таблице, при этом коллизии ре�?аются списками элементов. Что может сделать программист, имеющий стереотипы наподобие предыдущих? Что-нибудь в духе:

#include


#include 
#include 
#include 
struct hash_list
{
int key;
hash_list* next;
};
#define HASH_TABLE_SIZE 511
hash_list* hash[HASH_TABLE_SIZE];
#define COUNT 1000000
struct {
unsigned int iterations;
} stat;
int main()
{
unsigned int i, j;
int k;
hash_list* ptr, *prev_ptr;
bzero((char*)hash, sizeof(hash));
bzero((char*)&stat, sizeof(stat));
srandom(time(NULL));
for(i = 0; i < COUNT; i++)
{
k = random() & 8191;
prev_ptr = NULL;
for(ptr = hash[k%HASH_TABLE_SIZE]; 
ptr && ptr->key != k; 
prev_ptr = ptr, ptr = ptr->next, stat.iterations++)

;
if(!ptr)
{
if(prev_ptr)
{
prev_ptr->next = (hash_list*)calloc(1, sizeof(hash_list));
prev_ptr->next->key = k;
}
else
{
hash[k%HASH_TABLE_SIZE] = (hash_list*)calloc(1, sizeof(hash_list));
hash[k%HASH_TABLE_SIZE]->key = k;
}
}
}
printf("Iterations: %u\n", stat.iterations);

}

Что же тут неправильного? Ничего. Все сделано, вроде бы, достаточно логично. Тем не менее, показательно сделать несколько запусков и полюбоваться результатами (для измерения затраченного времени буду использовать команду bash time):

alk:~$ g++ -O5 t1.cpp -o t1


alk:~$ time t1
Iterations: 7485181
real 0m0.559s
user 0m0.549s
sys 0m0.001s
alk:~$ time t1
Iterations: 7485586
real 0m0.556s
user 0m0.555s
sys 0m0.001s
alk:~$ time t1
Iterations: 7486098
real 0m0.558s
user 0m0.549s
sys 0m0.001s
alk:~$ time t1
Iterations: 7480581
real 0m0.556s
user 0m0.548s

sys 0m0.000s

На самом деле, единственное что можно поставить в упрек написанной вы�?е программе, это расход на каждый элемент (целое число) два раза боль�?е оперативной памяти, чем надо еще столько же тратится на указатель для организации списка. Несложно придумать реализацию подобного списка на массиве, когда указатели не нужны:

#include


#include 
#include 
#include 
struct hash_item
{
int* keys;
size_t alloc;
size_t used;
};
#define HASH_TABLE_SIZE 511
#define HASH_ALLOC_DELTA 16
hash_item hash[HASH_TABLE_SIZE];
#define COUNT 1000000
struct {
unsigned int iterations;
} stat;
int main()
{
unsigned int i, j;
int k;
hash_item* ptr;
bzero((char*)hash, sizeof(hash));
bzero((char*)&stat, sizeof(stat));
srandom(time(NULL));
for(i = 0; i < COUNT; i++)
{
k = random() & 8191;
ptr = hash + (k%HASH_TABLE_SIZE);
for(j = 0; j < ptr->used && ptr->keys[j] != k; 
j++, stat.iterations++)
;
if(j >= ptr->used)
{
if(ptr->used == ptr->alloc)
{
int* temp = ptr->keys;
ptr->keys = (int*)calloc(ptr->alloc += HASH_ALLOC_DELTA, 
sizeof(int));
if(ptr->used) 
{
memcpy(ptr->keys, temp, ptr->used*sizeof(int));
free(temp);
}
}
ptr->keys[ptr->used++] = k;
}
}
printf("Iterations: %u\n", stat.iterations);

}

Выглядит на первый взгляд несколько сомнительно: ведь преимущества обычных списков с указателями заключаются как раз в том, что общее количество выделенных элементов будет равно нужному, а при вставке нового элемента не требуется модификация всего остального списка. В данном же случае, количество выделенных элементов, размер которых, правда, мень�?е предыдущего в два раза, всегда кратно 16, а изменение списка влечет за собой копирование всех данных из старой области памяти в новую.

Тем не менее, надо попробовать еще раз запустить тест:

alk:~$ g++ -O5 t2.cpp -o t2


alk:~$ time t2
Iterations: 7478165
real 0m0.296s
user 0m0.296s
sys 0m0.000s
alk:~$ time t2
Iterations: 7477196
real 0m0.296s
user 0m0.296s
sys 0m0.000s
alk:~$ time t2
Iterations: 7489060
real 0m0.296s
user 0m0.295s
sys 0m0.000s
alk:~$ time t2
Iterations: 7492167
real 0m0.298s
user 0m0.282s

sys 0m0.008s

Если вас не удивили полученные числа, то читать даль�?е вам будет совер�?енно неинтересно.

Стоит отметить, что общее количество сравнений практически одинаково в обоих случаях. Разница в затраченном времени между вторым и первым вариантом программы достаточно просто объяснима, для этого достаточно представлять себе в общих чертах устройство современных микропроцессоров.

Все дело в том, что память не является чем-то однородным, более того, память образует иерархию по своей скорости, например: регистры процессора, ке�? первого уровня, ке�? второго уровня, оперативная память, жесткие диски… несмотря на то, что каждый «вид» памяти предназначен, по сути, для одного и того же — хранения данных — скорость доступа может сильно отличаться.
Когда процессор желает что-то прочитать из оперативной памяти, эти данные «оседают» в ке�?ах, доступ к которым быстрее, и если через некоторое время (пока запись еще не была удалена из ке�?ей) процессор вновь обратится к тому же адресу, что и рань�?е, то обращения к относительно медленной оперативной памяти не будет. Кроме того, ке�? разбит на области фиксированного размера (линии, в случае обычного Пентиума — 32 байта), и именно такими блоками происходит чтение данных из оперативной памяти. Таким образом, если, как во втором случае, происходит чтение последовательного массива целых чисел, то считывая один элемент, в ке�? попадут как минимум 8 элементов этого массива и все они боль�?е не будут требовать обращений к оперативной памяти в ближай�?ее время.

В случае же «с указателями», невозможно предсказать какой элемент будет следующим в списке, потому что он зависит от содержимого внутри прочитанной области данных (указателя) и, скорее всего, следующий элемент не попадет в ке�?. Поэтому итерация по списку будет требовать еще столько операции чтения из оперативной памяти, сколько будет в списке элементов.

Кроме того, современные умные микропроцессоры, или не менее умные оптимизаторы, умеют делать предварительное чтение данных в ке�?. То есть, если читается блок в ке�?, то пока процессор с ним работает, можно прочитать в ке�? следующий блок памяти в расчете на последовательный доступ к данным (prefetch). Поэтому скорость последовательного доступа к элементам массива будет вы�?е, чем доступ к элементам «списка с указателями» даже когда размер структур более размера целого числа.

Кстати сказать, в таких случаях выгодно выравнивать размер структур по размеру ке�?лайнов, потому что чтение одного ке�?лайна из оперативной памяти тоже операция неоднородная и начало ке�?лайна появится в ке�?е быстрее, чем окончание, на чем тоже можно «сыграть».

Резюме
Таким образом, процессор всегда рассчитывает на последовательный доступ к данным и использование этого факта может сильно ускорить работу программы. Это относится не только к организации списков на массивах (не в случае, когда указатели на следующий элемент заменяются индексами внутри массива, а когда положение элемента в списке определяется его индексом в массиве), но и, например, к обработке двумерных массивов (значительно выгоднее читать массив по возрастанию реальных адресов ячеек).

PS: Кстати сказать, существуют эффективные вариации сортировки слиянием для данных, находящихся в оперативной памяти. Просто именно такой, достаточно простой способ сортировки, позволяет учитывать в алгоритме иерархичность оперативной памяти и легко распараллеливается на несколько процессоров.

Комментировать

Комментирование закрыто.