为什么 valarray 这么慢？

我正在尝试使用 valarray，因为它在操作向量和矩阵时非常类似于 MATLAB。我首先做了一些性能检查，发现valarray无法达到书中声明的性能C++ 编程语言 https://en.wikipedia.org/wiki/The_C%2B%2B_Programming_Language作者：斯特鲁斯特鲁普。

该测试程序实际上执行了 500 万次双精度乘法。我认为 c = a*b 至少可以与for循环双类型元素乘法，但我完全错了。我在几台计算机以及 Microsoft Visual C++ 6.0 和 Visual Studio 2008 上进行了尝试。

顺便说一句，我使用以下代码在 MATLAB 上进行了测试：

len = 5*1024*1024;
a = rand(len, 1);
b = rand(len, 1);
c = zeros(len, 1);
tic;
c = a.*b;
toc;

结果是 46 毫秒。这个时间精度不高；它只能作为参考。

代码是：

#include <iostream>
#include <valarray>
#include <iostream>
#include "windows.h"

using namespace std;
SYSTEMTIME stime;
LARGE_INTEGER sys_freq;

double gettime_hp();

int main()
{
    enum { N = 5*1024*1024 };
    valarray<double> a(N), b(N), c(N);
    QueryPerformanceFrequency(&sys_freq);
    int i, j;
    for (j=0 ; j<8 ; ++j)
    {
        for (i=0 ; i<N ; ++i)
        {
            a[i] = rand();
            b[i] = rand();
        }

        double* a1 = &a[0], *b1 = &b[0], *c1 = &c[0];
        double dtime = gettime_hp();
        for (i=0 ; i<N ; ++i)
            c1[i] = a1[i] * b1[i];
        dtime = gettime_hp()-dtime;
        cout << "double operator* " << dtime << " ms\n";

        dtime = gettime_hp();
        c = a*b ;
        dtime = gettime_hp() - dtime;
        cout << "valarray operator* " << dtime << " ms\n";

        dtime = gettime_hp();
        for (i=0 ; i<N ; ++i)
            c[i] = a[i] * b[i];
        dtime = gettime_hp() - dtime;
        cout << "valarray[i] operator* " << dtime<< " ms\n";

        cout << "------------------------------------------------------\n";
    }
}

double gettime_hp()
{
    LARGE_INTEGER tick;
    extern LARGE_INTEGER sys_freq;
    QueryPerformanceCounter(&tick);
    return (double)tick.QuadPart * 1000.0 / sys_freq.QuadPart;
}

运行结果：（最大速度优化的发布模式）

double operator* 52.3019 ms
valarray operator* 128.338 ms
valarray[i] operator* 43.1801 ms
------------------------------------------------------
double operator* 43.4036 ms
valarray operator* 145.533 ms
valarray[i] operator* 44.9121 ms
------------------------------------------------------
double operator* 43.2619 ms
valarray operator* 158.681 ms
valarray[i] operator* 43.4871 ms
------------------------------------------------------
double operator* 42.7317 ms
valarray operator* 173.164 ms
valarray[i] operator* 80.1004 ms
------------------------------------------------------
double operator* 43.2236 ms
valarray operator* 158.004 ms
valarray[i] operator* 44.3813 ms
------------------------------------------------------

同样优化的调试模式：

double operator* 41.8123 ms
valarray operator* 201.484 ms
valarray[i] operator* 41.5452 ms
------------------------------------------------------
double operator* 40.2238 ms
valarray operator* 215.351 ms
valarray[i] operator* 40.2076 ms
------------------------------------------------------
double operator* 40.5859 ms
valarray operator* 232.007 ms
valarray[i] operator* 40.8803 ms
------------------------------------------------------
double operator* 40.9734 ms
valarray operator* 234.325 ms
valarray[i] operator* 40.9711 ms
------------------------------------------------------
double operator* 41.1977 ms
valarray operator* 234.409 ms
valarray[i] operator* 41.1429 ms
------------------------------------------------------
double operator* 39.7754 ms
valarray operator* 234.26 ms
valarray[i] operator* 39.6338 ms
------------------------------------------------------

我刚刚在 Linux x86-64 系统（Sandy Bridge CPU）上尝试过：

海湾合作委员会 4.5.0：

double operator* 9.64185 ms
valarray operator* 9.36987 ms
valarray[i] operator* 9.35815 ms

英特尔ICC 12.0.2：

double operator* 7.76757 ms
valarray operator* 9.60208 ms
valarray[i] operator* 7.51409 ms

在这两种情况下我都使用了-O3并且没有其他与优化相关的标志。

看起来 MS C++ 编译器和/或 valarray 实现很糟糕。

这是针对 Linux 修改的 OP 代码：

#include <iostream>
#include <valarray>
#include <iostream>
#include <ctime>

using namespace std ;

double gettime_hp();

int main()
{
    enum { N = 5*1024*1024 };
    valarray<double> a(N), b(N), c(N) ;
    int i,j;
    for(  j=0 ; j<8 ; ++j )
    {
        for(  i=0 ; i<N ; ++i )
        {
            a[i]=rand();
            b[i]=rand();
        }

        double* a1 = &a[0], *b1 = &b[0], *c1 = &c[0] ;
        double dtime=gettime_hp();
        for(  i=0 ; i<N ; ++i ) c1[i] = a1[i] * b1[i] ;
        dtime=gettime_hp()-dtime;
        cout << "double operator* " << dtime << " ms\n" ;

        dtime=gettime_hp();
        c = a*b ;
        dtime=gettime_hp()-dtime;
        cout << "valarray operator* " << dtime << " ms\n" ;

        dtime=gettime_hp();
        for(  i=0 ; i<N ; ++i ) c[i] = a[i] * b[i] ;
        dtime=gettime_hp()-dtime;
        cout << "valarray[i] operator* " << dtime<< " ms\n" ;

        cout << "------------------------------------------------------\n" ;
    }
}

double gettime_hp()
{
    struct timespec timestamp;

    clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &timestamp);
    return timestamp.tv_sec * 1000.0 + timestamp.tv_nsec * 1.0e-6;
}