c - 队列性能明智哪个是更好的实现 - 数组或链表

Question

当我必须插入很少的元素时，哪种方式可以更快地入队和出队，数组比链表好吗？

我需要插入一些元素，我必须从队列中移除并读取移除的元素。 如果它是数组，我可能每次删除元素时都必须修改索引。插入和删除也可以同时发生。

下面哪种情况比较好？

typedef struct{
    mylist list;
    struct mylistQ *next;
}mylistQ;

数组代码

 static mylist myListQ[QUEUESIZE+1];
int qLast = 0;

void enqueue_element(mylist qItem)
{
        myListQ[qLast] = qItem;
    qLast++;
}

mylist dequeue_element()
{
 retryq:
   if(qLast >0) {
    mylist qReturn = myListQ[0];  
    int i;
    for (i = 0; i < qLast - 1; i++){
        myListQ[i] = myListQ[i + 1];
    }
    qLast--; 
    return qReturn;
     }
   else {
    goto retryq;
    }
}

链表

 int qLast = 0;

mylistQ *headElement = NULL;   
mylistQ *tailElement = NULL;     

void enqueue_element(mylist *List)
{
    mylistQ *newnode;      
    newnode=(mylistQ*)av_malloc(sizeof(mylistQ));
    newnode->next=NULL;
    newnode->list=*List;
    qLast++;
    if(headElement==NULL && tailElement==NULL)
    {
        headElement=newnode;
        tailElement=newnode;
    }
    else
    {
        tailElement->next=newnode;
        tailElement=newnode;
    }
 }

mylist dequeue_element()
{
    mylistQ *delnode;      /* Node to be deleted */
    mylist Dellist;
    if(headElement==NULL && tailElement==NULL){
        LOg( "Queue is empty to delete any element");
        }
    else
    {
       Log("In dequeue_picture queue is not empty");
        delnode=headElement;
        headElement=headElement->next;
    if (!headElement){
        tailElement=NULL;
    }
        Dellist = delnode->list;
        av_free(delnode);
    qLast--;
    }
        return Dellist;
}

Answer 1

这取决于您将执行多少操作以及数组版本的具体实现方式。

如果您正在执行相对较少的操作，即总共少于 1000 个入队/出队，那么数组会更快，因为它在内存中是连续的。维护一个指向前面的指针和一个指向后面的指针，总是在后面添加，在前面出队。

另一方面，即使列表不超过 30 个左右的元素，如果这种情况必须持续很长时间，您也不会有任何数组大小调整问题，这是数组的潜在问题。

链表保证了卓越的性能，你必须注意调整大小的数组。

编辑: 正如@Hans Passant 所提到的，数组速度很快，因为它们具有 CPU 缓存局部性。只要您的阵列很小，您的硬件就会优化性能，以便与存储阵列相关的内存将保留在您的 L2 中。索引可能在寄存器中。这真的很快。从不需要很多元素这一事实来看，数组在这种情况下是理想的。是的，当你移动元素时你将不得不修改索引，但这实际上是一个非常快的操作，因为如果你构建优化代码，索引将存储在寄存器中。

这里有一个问题，你提到你可能必须同时执行入队和出队，你的意思是它是并行的，即多个线程访问内存？如果是这种情况，数组仍然会更快，但您会看到性能下降了 800 倍。为什么？因为处理器不再可以缓冲与芯片上的队列相关联的内存，但它必须存储在主内存中。此外，您还冒着在线程之间创建竞争条件的风险。想象一下，如果一个线程试图出队，而另一个线程试图入队，而列表中只有一个元素，那么你可能会遇到灾难。无论哪种方式，如果此应用程序是非常注重性能的，请确保在打开 NDEBUG 和 -O3 标志的情况下进行编译(假设是 gcc)。

第二次编辑: 查看代码并查看下面的其他答案，我建议让您的数组代码更高效并将其转换为循环数组，因为听起来您对元素数量有上限。附带说明一下，您当前的数组实现效率极低，每次您删除时都会向前复制队列的其余部分，这没有任何意义，只需增加一个指向“第一个”索引的 int 指针。

伪代码:

int ciruclarArray[SIZE];
int front = 0;
int back = 0;

void enqueue(int elem)
{
    circularArray[back] = elem;
    if(back < (circularArray.length - 1))
        back++;
    else
        back = 0;
    return elem;
}

int dequeue()
{
    int toReturn = circularArray[front];
    //do same check for incrementing as enqueue
    return toReturn;
}

只是不要忘记对正常内容进行错误检查。