从C过渡到C++——换一个视角深入数组[真的存在高效吗？]（2）

C风格高效的数组遍历

在过渡到C++之前我还是想谈一谈如何书写高效的C的代码，这里的高效指的是C代码的高效，也就是在不开启编译器优化下，C层级的自由化，编译器优化固然很好，但是源代码的高效远远要胜于编译器的优化，因为在大多数情况下，你并不知道优化器到底干了什么。

数组名和指针

考虑如下声明：

int a;
int b[10];

我们把a通常称为一个标量，因为它是一个单一的值，这个变量的类型是一个整数。我们把变量b称为数组，因为它是一些值的集合。下标和数组名一起使用，用于标识该集合中某个特定的值。但是我们使用的时候都是这样的：

b[1]=10;

我们很少考虑一个问题就是b的类型是什么，我们知道b[1]的类型是一个int，这很好理解，你可能会说b是一整个数组，但实际上在c中并不是这样的，b应该是一个指针常量，且这个指针常量指向数组中第一个元素，为什么这样说呢？

例如我们可以实现如下的操作：

//test1
static int sta_var[]={0};
sta_var[0]++;
int *a = NULL;
a = sta_var;
printf("%d",sta_var);

我们在这里声明了一个指针，然后将数组名付给了它，输出结果如下：

同时上述语句更改为如下以后结果也是相同的：

    a = &sta_var[0];

这里需要强调的是，指针和数组名并不是完全相同的，数组具有确定的元素数量，而指针只是一个标量值。编译器用数组名来记住这些属性。只有当数组名在表达式中使用的时候，编译器才会为它产生一个指针常量。

只有在两个场合下，数组名并不用指针常量来表示——当数组作为sizeof操作符或者单目操作符&的操作数的时候，sizeof返回整个数组中的长度，而不是指向数组的指针长度。取一个数组名的地址所产生的是一个指向数组的指针，关于指向数组的指针我们晚点再来讨论。

下标引用与指针

结合上边的讲解我们来看一个比较奇怪的东西：

*(sta_var+3)

首先我们知道sta是一个指针，指向整型，所以3这个值根据整型值的长度进行调整。加法运算的结果是另一个指向整形的指针，它所指向的是数组第一个元素向后移动3个整数长度的位置。其次，间接访问操作符访问这个新位置，或者取得那里的值(整型)。

这个东西由另一个常见的形式：

sta_var[3]

也就是下标引用和间接访问完全相同。

如果二者完全相同那么在运行效率上会有差别吗？我们应该使用哪一个呢？和往常一样，这里没有明确的答案，对于大多数人来说，下标更容易理解，尤其是在多维数组当中。所以在可读性方面，下标具有一定的优势。但这个选择可能会影响运行时的效率。

假设这两种方法都是正确的，下标绝对不会比指针更有效率，但指针有时会比下标更有效率。这也是本篇文章所讨论的内容。

为了理解这个问题，让让我们来研究两个循环：

    //loop1
    int array[10];
    for(int a= 0 ; a< 10 ;a++)
        array[a] = 1;

第二个loop：

    //loop2
    for(int *i=array; i < array+10 ;i++)
            *i = 0;

对于第一个循环，为了求取下标的值，编译器在程序中插入指令，取得a的值，并把它与整形的长度相乘(整形长度是4)这个乘法需要花费一定的时间和空间，对于第二个循环， 尽管这里不存在下标，但是还是存在乘法运算，这个乘法运算在于每次for循环更新的时候就是指针i进行变化的时候，i++的时候这个1必须与整形的长度进行相乘然后再与指针相加，但是这个乘法有很大区别，乘法执行的是两个整数，也就是1和4，这个乘法在编译的时候只执行一次，程序在运行的时候直接使用这个4。

这里是默认情况未经过编译器优化的测试结果，我们让每一个循环跑10000000遍，看一看需要多久。

修改后两个代码如下：

    //loop1 21.8792s
    start = clock();
    for(int j=1;j<10000000;j++)
        for(int a= 0 ; a< 1000 ;a++)
            array[a] = 1;
    stop = clock();
    duration = ((double)(stop- start))/CLK_TCK;
    printf("%.8f\n",duration);
​
    //loop2
    start = clock();
    for(int j=1;j<10000000;j++)
    {
        for(int *i=array; i < array+1000 ;i++)
        *i = 1;
    }
    stop = clock();
    duration = ((double)(stop- start))/CLK_TCK;
    printf("%.8f\n",duration);

我们在不开启优化的情况下运行时间如下：

我们在开启O优化的情况下：

至于这里为什么下边运行效率会高一半我觉得是优化的问题，相同的操作只花费一般的时间，所有开启优化的结果都不能算数。

开启O2优化,就不用说了，他会直接变成0s，因为实际上做的操作是无用功。整个操作都被优化掉了。

我们看看二者的区别在哪里（以下是没有经过优化的代码）：

    jmp .L5
.L6:
    mov eax, DWORD PTR 3916[rbp]
    cdqe
    mov DWORD PTR -96[rbp+rax*4], 123
    add DWORD PTR 3916[rbp], 1
.L5:
    cmp DWORD PTR 3916[rbp], 999
    jle .L6

使用指针的汇编：

    jmp .L5
.L6:
    mov rax, QWORD PTR 3912[rbp]
    mov DWORD PTR [rax], 123
    add QWORD PTR 3912[rbp], 4
.L5:
    lea rax, -96[rbp]
    add rax, 4000
    cmp QWORD PTR 3912[rbp], rax
    jb  .L6

按照上文的分析我们的数组使用指针效率不应该是更高吗？我们可以看到使用指针的汇编中并没有出现过使用乘法计算的内容：[rbp+rax*4]，而是直接使用了4来替代：add QWORD PTR 3912[rbp], 4，那为啥实际上计算时间没有太大差异呢？甚至有些时候指针下标会慢于下标访问呢？

笨蛋的编译器，最重要的原因我觉得就在这里：

.L5:
    lea rax, -96[rbp]
    add rax, 4000

这里是唯一指针下标多出来的代码。我们的指针并没有将i < array+1000优化掉，即使我们这里所比较的内容是相同的，但是运算的时候为了防止array发生变化，这里又重新计算了一遍加法，也就是说这里在每次循环都要计算一遍加法，这是造成时间变化得最主要原因，所以我们可以这样说这样的写法只能保证：

指针效率≈下标访问的效率

这样的结果是编译器决定的，如果需要查看在某一个机器上的指针运行效率，建议还是查看一下具体的汇编代码，对于一般的for循环我们还是使用下标，这样对于别人来看你的代码的可读性会有很大的提升，如果真的需要大量的遍历或者各种情况，建议使用上文的方法来测量一下运行时间是否真的有一定的进步。