swift - 为什么 Swift 在 for-in 循环中使用下标语法比直接访问元素更快？

Question

我读了著名的Why is it faster to process a sorted array than an unsorted array?我决定尝试并尝试其他语言，例如 Swift。我对 2 个非常相似的代码片段之间的运行时差异感到惊讶。

在 Swift 中，可以直接访问数组中的元素，也可以在 for-in 循环中使用下标访问数组中的元素。例如这段代码:

for i in 0..<size {
    sum += data[i]
}

可以这样写:

for element in data {
    sum += element
}

使用 size data 长度和 data 可求和元素的数组。

所以，我只是在 Swift 中(代码如下)实现了与我在第一段中提到的问题相同的算法，令我惊讶的是第一种方法比第二种方法快大约 5 倍。

我不太了解后台下标实现，但我认为直接访问 Swift for-in 循环中的元素只是语法糖。

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问题

我的问题是这两种 for-in 语法有什么区别，为什么使用下标更快？

这里是定时器的详细信息。我在带有命令行项目的 2015 年初 MacBook Air 上使用 Xcode 9.4.1 和 Swift 4.1。

// Using Direct Element Access
Elapsed Time: 8.506288427
Sum: 1051901000

对比

// Using Subscript
Elapsed Time: 1.483967902
Sum: 1070388000

奖励问题:为什么 Swift 的执行速度比 C++ 慢 100 倍(两者都在同一台 Mac 上的一个 Xcode 项目中执行)？例如，在 C++ 中重复 100,000 次与在 Swift 中重复 1,000 次所花费的时间几乎相同。我的第一个猜测是 Swift 是一种比 C++ 更高级的语言，并且 Swift 运行更多的安全检查。

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这里是我使用的Swift代码，我只修改了第二个嵌套循环:

import Foundation
import GameplayKit

let size = 32_768
var data = [Int]()
var sum  = 0
var rand = GKRandomDistribution(lowestValue: 0, highestValue: 255)

for _ in 0..<size {
    data.append(rand.nextInt())
}

// data.sort()

let start = DispatchTime.now()

for _ in 0..<1_000 {
    // Only the following for-in loop changes
    for i in 0..<size {
        if data[i] <= 128 {
            sum += data[i]
        }
    }
}

let stop     = DispatchTime.now()
let nanoTime = stop.uptimeNanoseconds - start.uptimeNanoseconds
let elapsed  = Double(nanoTime) / 1_000_000_000

print("Elapsed Time: \(elapsed)")
print("Sum: \(sum)")

Answer 1

整体性能输出在很大程度上取决于编译器所做的优化。如果您在启用优化的情况下编译代码，您会发现两种解决方案之间的差异很小。

为了证明这一点，我更新了您的代码，添加了两种方法，一种使用 subscripting，另一种使用 for-in。

import Foundation
import GameplayKit

let size = 32_768
var data = [Int]()
var sum  = 0
var rand = GKRandomDistribution(lowestValue: 0, highestValue: 255)

for _ in 0..<size {
    data.append(rand.nextInt())
}

// data.sort()

func withSubscript() {
  let start = DispatchTime.now()

  for _ in 0..<1_000 {
      for i in 0..<size {
          if data[i] <= 128 {
              sum += data[i]
          }
      }
  }

  let stop    = DispatchTime.now()
  let elapsed = Double(stop.uptimeNanoseconds - start.uptimeNanoseconds) / 1_000_000_000

  print("With subscript:")
  print("- Elapsed Time: \(elapsed)")
  print("- Sum: \(sum)")
}

func withForIn() {
  let start = DispatchTime.now()

  for _ in 0..<1_000 {
      for element in data {
          if element <= 128 {
              sum += element
          }
      }
  }

  let stop    = DispatchTime.now()
  let elapsed = Double(stop.uptimeNanoseconds - start.uptimeNanoseconds) / 1_000_000_000

  print("With for-in:")
  print("- Elapsed Time: \(elapsed)")
  print("- Sum: \(sum)")
}

withSubscript()
withForIn()

我将该代码保存到名为 array-subscripting.swift 的文件中。

然后，从命令行，我们可以在不进行任何优化的情况下运行它，如下所示:

$ swift array-subscripting.swift 
With subscript:
- Elapsed Time: 0.924554249
- Sum: 1057062000
With for-in:
- Elapsed Time: 5.796038213
- Sum: 2114124000

正如您在帖子中提到的，性能存在很大差异。

当代码经过优化编译时，这种差异可以忽略不计:

$ swiftc array-subscripting.swift -O
$ ./array-subscripting 
With subscript:
- Elapsed Time: 0.110622556
- Sum: 1054578000
With for-in:
- Elapsed Time: 0.11670454
- Sum: 2109156000

如您所见，这两种解决方案都比以前快得多，而且执行时间非常相似。

回到您最初的问题，下标 提供对内存的直接访问，这在连续数组的情况下非常有效，其中元素在内存中彼此相邻存储。

另一方面，

for-in 循环创建数组中每个元素的不可变副本，这会导致性能下降。