为什么std :: u16string比char16_t的数组慢？

Question

经过一些性能实验后,似乎使用char16_t数组可能会提升性能有时高达40-50%,但似乎在没有任何复制和分配的情况下使用std :: u16string应该和C数组一样快.然而,基准却显示出相反的结果.

这是我为基准编写的代码(它使用Google Benchmark lib):

#include "benchmark/benchmark.h"
#include <string>

static std::u16string str;
static char16_t *str2;

static void BM_Strings(benchmark::State &state) {
    while (state.KeepRunning()) {
        for (size_t i = 0; i < str.size(); i++){
            benchmark::DoNotOptimize(str[i]);
        }
    }
}

static void BM_CharArray(benchmark::State &state) {
    while (state.KeepRunning()) {
        for (size_t  i = 0; i < str.size(); i++){
            benchmark::DoNotOptimize(str2[i]);
        }
    }
}

BENCHMARK(BM_Strings);
BENCHMARK(BM_CharArray);

static void init(){
    str = u"Various applications of randomness have led to the development of several different methods ";
    str2 = (char16_t *) str.c_str();
}

int main(int argc, char** argv) {
    init();
    ::benchmark::Initialize(&argc, argv);
    ::benchmark::RunSpecifiedBenchmarks();
}

它显示以下结果:

Run on (8 X 2200 MHz CPU s)
2017-07-11 23:05:57
Benchmark             Time           CPU Iterations
---------------------------------------------------
BM_Strings         1832 ns       1830 ns     365938
BM_CharArray        928 ns        926 ns     712577

我在mac上使用clang(Apple LLVM版本8.1.0(clang-802.0.42)).随着优化的开启,差距变小但仍然明显:

 Benchmark             Time           CPU Iterations
---------------------------------------------------
BM_Strings          242 ns        241 ns    2906615
BM_CharArray        161 ns        161 ns    4552165

有人可以解释这里发生了什么,为什么会有区别？

更新(混合订单并添加少量热身步骤):

Benchmark             Time           CPU Iterations
---------------------------------------------------
BM_CharArray        670 ns        665 ns     903168
BM_Strings          856 ns        854 ns     817776
BM_CharArray        166 ns        166 ns    4369997
BM_Strings          225 ns        225 ns    3149521

还包括我正在使用的编译标志:

/usr/bin/clang++ -I{some includes here} -O3 -std=c++14 -stdlib=libc++ -Wall -Wextra -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX10.12.sdk -O3 -fsanitize=address -Werror -o CMakeFiles/BenchmarkString.dir/BenchmarkString.cpp.o -c test/benchmarks/BenchmarkString.cpp

Answer 1

由于libc ++实现小字符串优化的方式,在每个取消引用时,它需要检查字符串内容是存储在字符串对象本身还是存储在堆上.由于索引是封装的benchmark::DoNotOptimize,因此每次访问字符时都需要执行此检查.通过指针访问字符串数据时,数据始终是外部的,因此不需要检查.