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1.4 数组与链表的比较

一个常见的编程问题:遍历同样大小的数组和链表,哪个比较快?如果按照某些教科书上的分析方法,两者一样快,因为时间复杂度都是 O ( n ),但其实遍历数组比遍历链表要快很多。

首先介绍一个概念:存储器层次(memory hierarchy)。计算机中存在多种不同的存储器,各存储器的平均存取速度相差很大,如表1.1所示。

表1.1

各存储器的平均存取速度差异非常大,CPU寄存器的平均存取速度是内存的平均存取速度的大约100倍!这就是为什么CPU生产厂家发明了CPU缓存,而CPU缓存就是数组和链表的关键区别所在。

CPU缓存会把一个连续的内存空间读入,因为数组结构是连续的内存地址,所以数组的全部或者部分元素被连续保存在CPU缓存中,平均读取每个元素只要3个CPU时钟周期。而链表的节点是分散在堆空间里面的,读取的时候CPU缓存帮不上忙,只能去读取内存,平均读取时间为100个CPU时钟周期。这样算下来,遍历数组的速度比遍历链表的速度快大约33倍!(以上皆为理论数字,具体的数字因CPU型号及环境不同而略有差异)。

因此,程序中尽量使用连续的数据结构,这样可以充分发挥CPU缓存的优势。对缓存友好的算法称为 Cache- oblivious algorithm,有兴趣的读者可以参考相关资料。再举一个简单的例子,程序如下。

两个程序的执行结果一样,算法复杂度也一样,但是程序2的执行速度要快很多,因为C++的数组是按行存储的。 GJu73HTV5HmEFGX4nzlBYaT+CrkVe1PLiPGubgEgjsmTwPT83xHXyJyUwq2cJYBQ

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