一个操作让数组处理速度快了5倍，到底是为什么

概述：通过对数组进行排序，代码更好地利用了缓存，从而提高了程序的性能。这种现象通常被称为"缓存友好"（cache-friendly）或"空间局部性"（spatial locality）

今天做一个数组数据计算时，发现一个效率问题，给大家分享一下 一个数组排序和不排序时同样的逻辑处理速度是不一样的。排序后速度快了近5倍，上图：

1. 再来说明原因：

这段代码之所以在排序后运行更快，是因为它利用了现代计算机体系结构中的一个优化：CPU缓存。

在主循环中，对data数组的访问是顺序的，即按照数组元素的顺序依次访问。在没有排序的情况下，由于数组的内存布局是随机的，这可能导致对内存的随机访问，而这种随机访问可能导致较多的缓存缺失（cache misses）。

而在经过排序之后，数组的元素被重新排列，使得相邻元素的值更加接近。这就意味着在主循环中，对数组的访问会更加连续，这有助于提高缓存的命中率（cache hit rate）。高缓存命中率意味着CPU可以更快地获取数据，而不必等待缓慢的主内存。这对于循环中的迭代非常重要，因为它会不断地访问数组的不同部分。

通过对数组进行排序，代码更好地利用了缓存，从而提高了程序的性能。这种现象通常被称为"缓存友好"（cache-friendly）或"空间局部性"（spatial locality）。

2. 然后来看看实际测试代码,不排序测试：

        static void Main()
        {
            double elapsedTime = Test1();
            double elapsedTime2 = Test2();

            Console.WriteLine($"排序前后：Test1/Test2={(double)(elapsedTime / elapsedTime2)}");
            Console.ReadKey();
        }

        /// <summary>
        /// 不排序测试
        /// </summary>
        static double Test1()
        {
            // 生成数据
            const int arraySize = 32768;
            int[] data = new int[arraySize];
            Random rand = new Random();

            for (int c = 0; c < arraySize; ++c)
                data[c] = rand.Next(256);  // 生成0-255的随机数

            // 测试
            Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();
            stopwatch.Start();

            long sum = 0;
            for (int i = 0; i < 100000; ++i)
            {
                for (int c = 0; c < arraySize; ++c)
                {   // 主循环
                    if (data[c] >= 128)
                        sum += data[c];  // 如果数据大于等于128，则加到总和中
                }
            }

            stopwatch.Stop();
            double elapsedTime = stopwatch.ElapsedMilliseconds;  // 计算所花费的时间

            Console.WriteLine($"不排序效果：用时{elapsedTime}毫秒");  // 输出所花费的时间
            Console.WriteLine("sum = " + sum);  // 输出总和
            Console.WriteLine();
            return elapsedTime;
        }

3. 排序后的测试代码：

        /// <summary>
        /// 排序测试
        /// </summary>
        /// <returns></returns>
        static double Test2()
        {
            // 生成数据
            const int arraySize = 32768;
            int[] data = new int[arraySize];
            Random rand = new Random();

            for (int c = 0; c < arraySize; ++c)
                data[c] = rand.Next(256);  // 生成0-255的随机数


            double elapsedTime = 0;
            // 测试
            Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();
            stopwatch.Start();

            // 对数据进行排序，这样下一个循环会运行得更快
            Array.Sort(data);
            stopwatch.Stop();
            elapsedTime = stopwatch.ElapsedMilliseconds;  // 计算所花费的时间
            stopwatch.Restart();

            long sum = 0;
            for (int i = 0; i < 100000; ++i)
            {
                for (int c = 0; c < arraySize; ++c)
                {   // 主循环
                    if (data[c] >= 128)
                        sum += data[c];  // 如果数据大于等于128，则加到总和中
                }
            }

            stopwatch.Stop();
            double elapsedTime2 = stopwatch.ElapsedMilliseconds;  // 计算所花费的时间

            double elapsedTime3 = (elapsedTime + elapsedTime2);

            Console.WriteLine($"排序后效果：排序用时{elapsedTime}毫秒，计算用时:{elapsedTime2}毫秒,合计用时：{(elapsedTime3)}毫秒");  // 输出所花费的时间
            Console.WriteLine("sum = " + sum);  // 输出总和
            Console.WriteLine();

            return elapsedTime3;
        }

大家在Java、C++、Python是不是也遇到过类似的问题。

源代码获取：https://pan.baidu.com/s/1vm6faDdFFGFEmvpLMPATcQ?pwd=6666