c++ - 令人惊讶的基准测试结果

Question

看完泰特斯·温特斯的 "Live at Head"谈话，他提到 StrCat() 是人们最喜欢的功能之一，我决定尝试实现类似的东西，看看我是否可以击败 std::string::append(或 operator+，我认为它在内部使用 append)运行时性能。我的理由是，作为可变参数模板实现的 strcat() 函数将能够确定其所有类似字符串的参数的组合大小，并进行一次分配以存储最终结果，而不必在以下情况下不断重新分配operator+，它不知道调用它的总体上下文。

但是，当我在 quick-bench 上将我的自定义实现与 operator+ 进行比较时，我发现我的 strcat() 实现比使用 -std=c++17 -O3 编译的最新版本的 clang 和 gcc 上的 operator+ 慢大约 4 倍。我在下面包含了快速基准代码以供引用。

有谁知道是什么导致了这里的减速？

#include <cstring>
#include <iostream>
#include <string>

// Get the size of string-like args
int getsize(const std::string& s) { return s.size(); }
int getsize(const char* s) { return strlen(s); }
template <typename S>
int strcat_size(const S& s) {
  return getsize(s);
}
template <typename S, typename... Strings>
int strcat_size(const S& first, Strings... rest) {
  if (sizeof...(Strings) == 0) {
    return 0;
  } else {
    return getsize(first) + strcat_size(rest...);
  }
}

// Populate a pre-allocated string with content from another string-like object
template <typename S>
void strcat_fill(std::string& res, const S& first) {
  res += first;
}
template <typename S, typename... Strings>
void strcat_fill(std::string& res, const S& first, Strings... rest) {
  res += first;
  strcat_fill(res, rest...);
}

template <typename S, typename... Strings>
std::string strcat(const S& first, Strings... rest) {
  int totalsize = strcat_size(first, rest...);

  std::string res;
  res.reserve(totalsize);

  strcat_fill(res, first, rest...);

  return res;
}

const char* s1 = "Hello World! ";
std::string s2 = "Here is a string to concatenate. ";
std::string s3 = "Here is a longer string to concatenate that avoids small string optimization";
const char* s4 = "How about some more strings? ";
std::string s5 = "And more strings? ";
std::string s6 = "And even more strings to use!";

static void strcat_bench(benchmark::State& state) {
  // Code inside this loop is measured repeatedly
  for (auto _ : state) {
    std::string s = strcat(s1, s2, s3, s4, s5, s6);

    benchmark::DoNotOptimize(s);
  }
}
BENCHMARK(strcat_bench);

static void append_bench(benchmark::State& state) {
  for (auto _ : state) {
    std::string s = s1 + s2 + s3 + s4 + s5 + s6;

    benchmark::DoNotOptimize(s);
  }
}
BENCHMARK(append_bench);

Answer 1

那是因为按值传递参数。

我更改了代码以改用折叠表达式(看起来干净多了)
并删除了不必要的拷贝(Strings... rest 应该是一个引用)。

int getsize(const std::string& s) { return s.size(); }
int getsize(const char* s) { return strlen(s); }

template <typename ...P>
std::string strcat(const P &... params)
{
  std::string res;
  res.reserve((getsize(params) + ...));
  (res += ... += params);
  return res;
}

This solution beats append by approximately 30%.

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在这种情况下，通过const 引用传递和进行完美转发之间似乎没有区别。这是有道理的，因为 std::string += 不会移动它的参数，即使它们是右值也是如此。

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如果您无法访问新的奇特折叠表达式但仍然想要性能，请改用“虚拟数组”技巧(在这种情况下似乎具有完全相同的性能)。

template <typename ...P>
std::string strcat(const P &... params)
{
  using dummy_array = int[]; // This is necessary because `int[]{blah}` doesn't compile.
  std::string res;
  std::size_t size = 0;
  dummy_array{(void(size += getsize(params)), 0)..., 0};
  res.reserve(size);
  dummy_array{(void(res += params), 0)..., 0};
  return res;
}