可以讨论一个编程问题吗？这样写C++代码效率为何这么低？

[悬铃神木]

我在写一个CFD程序的时候碰到的问题，我想使用c++的特性把double数组封装成一个新的类，这样就可以重载运算符，像使用matlab那样直接进行矩阵层次的操作。
比如，在c++里要分别对元素操作：

for（int i=0;i<10000;i++）C[i]=A[i]+B[i]

用matlab就可以直接写：

C=A+B;

但我写成一个类后，运算效率却比直接这样运行慢太多，甚至比matlab慢很多（C++应该比matlab快才对吧？）
比如如下代码：

#include "pch.h"
#include <iostream>
#include <time.h>  

class Array
{
public:
	Array(int S):Size(S)                          //构造函数
	{
		p = new double[Size];
	}

	Array(int S, double n):Size(S)        //构造函数
	{
		p = new double[Size];
		for (int i = 0; i < Size; i++)p[i] = n;
	}

	~Array()                       //析构函数
	{
		delete[] p;
	}

	Array & operator=(const Array & A)                      //重载=
	{
		if (this == &A)
			return *this;
		delete[] p;
		Size = A.Size;
		p = new double[Size];
		memcpy(p, A.p, Size * sizeof(double));
		return *this;
	}

	Array operator*(const Array & A)                 //对应元素*
	{
		Array result(Size);
		for (int i = 0; i < Size; i++)result.p[i] = p[i] * A.p[i];
		return result;
	}

private:
	int Size;
	double *p;
};


int main()
{
	clock_t time1, time2;
	Array A(10000, 1.0);
	Array B(10000, 1.0);
	Array C(10000, 1.0);
	time1 = clock();
	for (int t = 0; t < 1000000; t++)C = A * B;
	time2 = clock();
	std::cout<< "Time1 = " << (double)(time2 - time1) / CLOCKS_PER_SEC << "S" << std::endl;
//测试直接使用double数组的速度
	double a[10000];
	double b[10000];
	double c[10000];
	for (int i = 0; i < 10000; i++)a[i] = 1, b[i] = 1;

	time1 = clock();
	for (int t = 0; t < 1000000; t++) 
		for (int i = 0; i < 10000; i++)c[i]=a[i] * b[i];
	time2 = clock();
	std::cout << "Time2 = " << (double)(time2 - time1) / CLOCKS_PER_SEC << "S" << std::endl;

	system("pause");
	return 0;
}

输出：
Time1 = 10.4S
Time2 = 0.492S
使用对象的时候慢了20多倍

用matlab做相同工作的时候：

A=ones(10000,1);
B=zeros(10000,1);
t1=clock;
for i=1:1000000
    C=A.*B;
end
t2=clock;
T=etime(t2,t1)

输出：
T =4.8610
我这样写是否犯了什么错误？ 这种情况下应该如何提升c++的效率呢？

[东岳]

我觉得问题在于你这里面有循环嵌套：

for (int t = 0; t < 1000000; t++) 
		for (int i = 0; i < 10000; i++) c[i]=a[i] * b[i];

[悬铃神木]

这个循环嵌套直接用double数组速度很快啊，用了0.492S
上面那个用了我写的类的地方：

for (int t = 0; t < 1000000; t++)C = A * B;

这个地方很慢，做相同的事情用了 10.4S

[东岳]

可能是在你的*号里面多次调用构造函数所致，你这是调用了100000次构造函数

[悬铃神木]

谢谢东岳老师，测试了一下确实是这样，构造和return这个类耗费时间很多……
但是没想到好方法……要实现相关功能+-*/必须返回一个相同的类……
不知道成熟的代码是怎么解决这个问题的

[浪迹天大]

你需要什么样的操作呢？自带的各种类都无法满足吗？

[悬铃神木]

希望像matlab那样可以直接在矩阵层面操作，这样写出程序来简洁一些，我不知道有哪种自带的类可以满足，我只试过vector，但是并不比我自己写的类快。

[东岳]

Array operator*(const Array& A) const
{
    for (int i = 0; i < Size; i++)
    {
        p[i] += B.p[i];
    }
    return *this;
}

这样会不会快一些？你试试

[wwzhao]

1. 用类封装和用数组的运行效率不会差那么多。你这个程序的第二个循环可能被vs的cl.exe编译器优化过了，所以运行时间这么短。

2. MATLAB对矩阵的操作都底层调用的是Fortran或C语言写的库，这些库都是经过高度优化过的，执行效率非常高。

[悬铃神木]

7.415S，确实快了一些。但是这样写相当于改变了两个被乘数组之一，这样限制了它的使用方式，像C=A+A*B这样的或者更复杂的表达式就很难写了。我试了一下，确实如楼下所言是优化的问题，零优化情况下就和直接用数组的方式没有这么大的差距。

[悬铃神木]

谢谢您的回答！试了一下确实是编译器优化带来的问题，我在linux系统下使用g++编译这串代码，以下分别是优化等级-O0(无优化)、-O1、-O2、-O3时得到的运行速度：

-O0
Time1 = 47.759S
Time2 = 29.2934S
-O1
Time1 = 16.7366S
Time2 = 4.35349S
-O2
Time1 = 11.9593S
Time2 = 1e-06S
-O3：
Time1 = 12.2002S
Time2 = 0S

可见无优化时虽然我这种使用类的写法也要慢一些，但两者在一个数量级上，优化等级越高，直接使用数组的方法优势就越大了……
编译器的优化好神奇哦！
看来以后还是尽量去用别人写的成熟的函数库吧……

[Zephyr]

你的new/delete是罪魁祸首，loop 1000000次意味着你new/delete了1000000次array C，尽量不要动态分配内存，除非你有不得不这样写的原因。如果你知道你要在代码里反复使用A, B, C三个矩阵，你应该一开始就分配好而不是在结构体里new。matlab里你可以随便写C = A + B 是因为matlab已经替你做了内存管理，你自己写代码的时候就要做到方方面面兼顾了。

[悬铃神木]

谢谢您的回答！我试了下不使用动态分配而用固定大小的数组p[10000]来代替，确实提高了一些效率，从10S+变成了7S+。
但我这里确实需要动态分配，因为我希望做成一个有一定通用性的矩阵类来储存各种流场信息，我无法在编程时就知道需要多大内存，也许这次计算只要几千网格，也许下次就需要几千万网格。

[Zephyr]

@悬铃神木 thrust, boost这些库都挺不错的。。

[悬铃神木]

@Zephyr 嗯嗯，感谢，我去尝试一些库

[东岳]

@悬铃神木 你测试的结果是不是调用100000次构造函数和1次的区别不大？

目前我在每个网格都构造一次构造函数，琢磨要不要把这个删掉

[悬铃神木]

是的，调用1000000次构造函数和1次，带来的差别不大

[东岳]

感谢分享 楼主好人

[悬铃神木]

是我应该感谢cfd中文网的各位老师，对我的帮助很大.

另外，我测试的这个构造函数和析构函数只承担了new和delete一个double[]的任务，如果是功能更复杂的构造函数，就不好说了。