比参考传递更快地传递值

Question

我用c ++编写了一个简单的程序来比较两种方法之间的性能 - 按值传递并通过引用传递.实际上,传递的值比通过引用传递更好.

结论应该是通过值传递需要更少的时钟周期(指令)

如果有人能详细解释为什么传递值需要更少的时钟周期,我会很高兴.

#include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

using namespace std;

void function(int *ptr);
void function2(int val);

int main() {

   int nmbr = 5;

   clock_t start, stop;
   start = clock();
   for (long i = 0; i < 1000000000; i++) {
       function(&nmbr);
       //function2(nmbr);
   }
   stop = clock();

   cout << "time: " << stop - start;

   return 0;
}

/**
* pass by reference
*/
void function(int *ptr) {
    *ptr *= 5;
}

/**
* pass by value
*/
void function2(int val) {
   val *= 5;
}

Answer 1

找出原因存在差异的一个好方法是检查反汇编.以下是我使用Visual Studio 2012在我的机器上获得的结果.

使用优化标志,两个函数都生成相同的代码:

009D1270 57                   push        edi  
009D1271 FF 15 D4 30 9D 00    call        dword ptr ds:[9D30D4h]  
009D1277 8B F8                mov         edi,eax  
009D1279 FF 15 D4 30 9D 00    call        dword ptr ds:[9D30D4h]  
009D127F 8B 0D 48 30 9D 00    mov         ecx,dword ptr ds:[9D3048h]  
009D1285 2B C7                sub         eax,edi  
009D1287 50                   push        eax  
009D1288 E8 A3 04 00 00       call        std::operator<<<std::char_traits<char> > (09D1730h)  
009D128D 8B C8                mov         ecx,eax  
009D128F FF 15 2C 30 9D 00    call        dword ptr ds:[9D302Ch]  
009D1295 33 C0                xor         eax,eax  
009D1297 5F                   pop         edi  
009D1298 C3                   ret  

这基本上相当于:

int main ()
{
    clock_t start, stop ;
    start = clock () ;
    stop = clock () ;
    cout << "time: " << stop - start ;
    return 0 ;
}

如果没有优化标记,您可能会得到不同的结果.

功能(无优化):

00114890 55                   push        ebp  
00114891 8B EC                mov         ebp,esp  
00114893 81 EC C0 00 00 00    sub         esp,0C0h  
00114899 53                   push        ebx  
0011489A 56                   push        esi  
0011489B 57                   push        edi  
0011489C 8D BD 40 FF FF FF    lea         edi,[ebp-0C0h]  
001148A2 B9 30 00 00 00       mov         ecx,30h  
001148A7 B8 CC CC CC CC       mov         eax,0CCCCCCCCh  
001148AC F3 AB                rep stos    dword ptr es:[edi]  
001148AE 8B 45 08             mov         eax,dword ptr [ptr]  
001148B1 8B 08                mov         ecx,dword ptr [eax]  
001148B3 6B C9 05             imul        ecx,ecx,5  
001148B6 8B 55 08             mov         edx,dword ptr [ptr]  
001148B9 89 0A                mov         dword ptr [edx],ecx  
001148BB 5F                   pop         edi  
001148BC 5E                   pop         esi  
001148BD 5B                   pop         ebx  
001148BE 8B E5                mov         esp,ebp  
001148C0 5D                   pop         ebp  
001148C1 C3                   ret 

function2(没有优化)

00FF4850 55                   push        ebp  
00FF4851 8B EC                mov         ebp,esp  
00FF4853 81 EC C0 00 00 00    sub         esp,0C0h  
00FF4859 53                   push        ebx  
00FF485A 56                   push        esi  
00FF485B 57                   push        edi  
00FF485C 8D BD 40 FF FF FF    lea         edi,[ebp-0C0h]  
00FF4862 B9 30 00 00 00       mov         ecx,30h  
00FF4867 B8 CC CC CC CC       mov         eax,0CCCCCCCCh  
00FF486C F3 AB                rep stos    dword ptr es:[edi]  
00FF486E 8B 45 08             mov         eax,dword ptr [val]  
00FF4871 6B C0 05             imul        eax,eax,5  
00FF4874 89 45 08             mov         dword ptr [val],eax  
00FF4877 5F                   pop         edi  
00FF4878 5E                   pop         esi  
00FF4879 5B                   pop         ebx  
00FF487A 8B E5                mov         esp,ebp  
00FF487C 5D                   pop         ebp  
00FF487D C3                   ret  

为什么更快地传递值(在无优化情况下)？

好吧,function()有两个额外的mov操作.我们来看看第一个额外的mov操作:

001148AE 8B 45 08             mov         eax,dword ptr [ptr]  
001148B1 8B 08                mov         ecx,dword ptr [eax]  
001148B3 6B C9 05             imul        ecx,ecx,5

这里我们解除引用指针.在function2 (),我们已经有了价值,所以我们避免这一步.我们首先将指针的地址移动到寄存器eax中.然后我们将指针的值移动到寄存器ecx中.最后,我们将该值乘以5.

让我们看看第二个额外的mov操作:

001148B3 6B C9 05             imul        ecx,ecx,5  
001148B6 8B 55 08             mov         edx,dword ptr [ptr]  
001148B9 89 0A                mov         dword ptr [edx],ecx 

现在我们正在倒退.我们刚刚将值乘以5,我们需要将值放回内存地址.

因为function2 ()不必处理引用和解除引用指针,它会跳过这两个额外的mov操作.

Answer 2

通过引用传递的开销:

• 每次访问都需要一个解除引用,即还有一个内存读取

通过价值的开销:

• 该值需要在堆栈或寄存器中复制

对于小对象,例如整数,按值传递会更快.对于较大的对象(例如大型结构),复制会产生过多的开销,因此通过引用传递会更快.

Answer 3

根据某种原因:在大多数流行的机器中,整数是32位,指针是32位或64位

所以你必须传递那么多信息.

要乘以一个整数,你必须:

乘以它.

要乘以指针所指向的整数,您必须:

尊重指针.乘以它.

希望它足够清楚:)

现在来看一些更具体的东西:

正如已经指出的那样,你的by-value函数对结果没有任何作用,但by-pointer实际上将结果保存在内存中.为什么你对糟糕的指针如此不公平？:( (开玩笑)

很难说你的基准测试有多有效,因为编译器充满了各种优化.(当然你可以控制编译器的自由,但你还没有提供相关的信息)

最后(也可能是最重要的),指针,值或引用没有与之关联的速度.谁知道,你可能会发现一台机器使用指针更快,并且很难用值,或者相​​反.好吧,好吧,硬件中有一些模式我们做出所有这些假设,最广泛接受的似乎是:

按值传递简单对象,通过引用(或指针)传递更复杂的对象(但是又一次,什么是复杂的？什么是简单的？随着时间的推移随着硬件的变化而变化)

所以最近我感觉标准意见正在变成:通过价值传递并信任编译器.这太酷了.编译器支持多年的专业知识开发和愤怒的用户要求它总是更好.

Answer 4

想象一下,你走进一个函数,你应该进入一个int值.函数中的代码想要使用该int值进行处理.

传递值就像走进函数一样,当有人要求int foo值时,你只需将它赋予它们.

通过引用传递将使用int foo值的地址进入函数.现在每当有人需要foo的价值时,他们必须去查找它.每个人都会抱怨所有的怪胎时间不得不取消引用foo.我现在已经在这个功能中工作了2毫秒,而且我一定要查了一千次!你为什么不首先给我价值？你为什么不通过价值？

这个比喻帮助我了解为什么通过价值往往是最快的选择.

Answer 5

传递值时,您告诉编译器要按值传递要传递的实体的副本.

当您通过引用传递时,您告诉编译器它必须使用引用指向的实际内存.编译器不知道您是在尝试优化,还是因为引用的值可能在某个其他线程中发生更改(例如).它必须使用该内存区域.

通过引用传递意味着处理器必须访问该特定存储器块.根据寄存器的状态,这可能是也可能不是最有效的过程.当您通过引用传递时,可以使用堆栈上的内存,这增加了访问缓存(更快)内存的机会.

最后,根据机器的体系结构和传递的类型,引用实际上可能大于您要复制的值.复制32位整数涉及复制少于在64位机器上传递引用.

因此,只有在需要引用时(通过改变值,或者因为值可能在其他地方发生变化),或者复制引用的对象比取消引用必要的内存更昂贵,才能通过引用进行传递.

虽然最后一点是非平凡的,但一个好的经验法则是做Java所做的事情:按值传递基本类型,按(const)引用传递复杂类型.