Чому розбиття рядка повільніше на C ++, ніж Python?

Я намагаюсь перетворити якийсь код з Python на C ++, намагаючись набрати трохи швидкості і відточити свої іржаві навички C ++. Вчора я був шокований, коли наївна реалізація рядків читання з stdin була набагато швидшою в Python, ніж C ++ (див. Це ). Сьогодні я нарешті з'ясував, як розділити рядок на C ++ зі злиттям роздільників (схожа семантика на розкол пітона ()), і зараз я відчуваю дежавю! Мій код C ++ займає набагато більше часу (хоча це не на порядок більше, як це було у вчорашньому уроці).

Код Python:

#!/usr/bin/env python
from __future__ import print_function                                            
import time
import sys

count = 0
start_time = time.time()
dummy = None

for line in sys.stdin:
    dummy = line.split()
    count += 1

delta_sec = int(time.time() - start_time)
print("Python: Saw {0} lines in {1} seconds. ".format(count, delta_sec), end='')
if delta_sec > 0:
    lps = int(count/delta_sec)
    print("  Crunch Speed: {0}".format(lps))
else:
    print('')

Код C ++:

#include <iostream>                                                              
#include <string>
#include <sstream>
#include <time.h>
#include <vector>

using namespace std;

void split1(vector<string> &tokens, const string &str,
        const string &delimiters = " ") {
    // Skip delimiters at beginning
    string::size_type lastPos = str.find_first_not_of(delimiters, 0);

    // Find first non-delimiter
    string::size_type pos = str.find_first_of(delimiters, lastPos);

    while (string::npos != pos || string::npos != lastPos) {
        // Found a token, add it to the vector
        tokens.push_back(str.substr(lastPos, pos - lastPos));
        // Skip delimiters
        lastPos = str.find_first_not_of(delimiters, pos);
        // Find next non-delimiter
        pos = str.find_first_of(delimiters, lastPos);
    }
}

void split2(vector<string> &tokens, const string &str, char delim=' ') {
    stringstream ss(str); //convert string to stream
    string item;
    while(getline(ss, item, delim)) {
        tokens.push_back(item); //add token to vector
    }
}

int main() {
    string input_line;
    vector<string> spline;
    long count = 0;
    int sec, lps;
    time_t start = time(NULL);

    cin.sync_with_stdio(false); //disable synchronous IO

    while(cin) {
        getline(cin, input_line);
        spline.clear(); //empty the vector for the next line to parse

        //I'm trying one of the two implementations, per compilation, obviously:
//        split1(spline, input_line);  
        split2(spline, input_line);

        count++;
    };

    count--; //subtract for final over-read
    sec = (int) time(NULL) - start;
    cerr << "C++   : Saw " << count << " lines in " << sec << " seconds." ;
    if (sec > 0) {
        lps = count / sec;
        cerr << "  Crunch speed: " << lps << endl;
    } else
        cerr << endl;
    return 0;

//compiled with: g++ -Wall -O3 -o split1 split_1.cpp

Зауважте, що я спробував дві різні спліт-реалізації. Один (split1) використовує рядкові методи пошуку токенів і здатний об'єднати декілька лексем, а також обробляти численні лексеми (це походить звідси ). Другий (split2) використовує getline для зчитування рядка як потоку, не зливає роздільники, а підтримує лише один символ деліметра (той був розміщений декількома користувачами StackOverflow у відповідях на питання розбиття рядків).

Я кілька разів запускав це в різних замовленнях. Моя тестова машина - це Macbook Pro (2011 р., 8 Гб, Quad Core), але це не дуже важливо. Я тестую текстовий файл з рядком 20 М з трьома розділеними пробілами стовпцями, кожен з яких схожий на такий: "foo.bar 127.0.0.1 home.foo.bar"

Результати:

$ /usr/bin/time cat test_lines_double | ./split.py
       15.61 real         0.01 user         0.38 sys
Python: Saw 20000000 lines in 15 seconds.   Crunch Speed: 1333333
$ /usr/bin/time cat test_lines_double | ./split1
       23.50 real         0.01 user         0.46 sys
C++   : Saw 20000000 lines in 23 seconds.  Crunch speed: 869565
$ /usr/bin/time cat test_lines_double | ./split2
       44.69 real         0.02 user         0.62 sys
C++   : Saw 20000000 lines in 45 seconds.  Crunch speed: 444444

Що я роблю неправильно? Чи є кращий спосіб зробити розбиття рядків на C ++, який не покладається на зовнішні бібліотеки (тобто не збільшується), підтримує об'єднання послідовностей роздільників (наприклад, розділення python), безпечний для потоків (тому немає strtok) і продуктивність якого принаймні нарівні з пітоном?

Редагувати 1 / Часткове рішення ?:

Я спробував зробити це більш справедливим порівнянням, маючи python скидати список манекенів і додавати його до кожного разу, як це робить C ++. Це все ще не зовсім те, що робить код C ++, але він трохи ближче. В основному, цикл зараз:

for line in sys.stdin:
    dummy = []
    dummy += line.split()
    count += 1

Продуктивність python зараз приблизно така ж, як і реалізація split1 C ++.

/usr/bin/time cat test_lines_double | ./split5.py
       22.61 real         0.01 user         0.40 sys
Python: Saw 20000000 lines in 22 seconds.   Crunch Speed: 909090

Я все ще дивуюсь, що навіть якщо Python настільки оптимізований для обробки рядків (як запропонував Метт Джонер), що ці C ++ реалізації не будуть швидшими. Якщо у когось є ідеї, як це зробити більш оптимальним способом за допомогою C ++, будь ласка, поділіться своїм кодом. (Я думаю, що моїм наступним кроком буде намагатися реалізувати це в чистому С, хоча я не збираюся торгувати продуктивністю програміста, щоб повторно реалізувати мій загальний проект на C, тому це буде просто експериментом для швидкості розбиття рядків.)

Дякуємо всім за вашу допомогу.

Остаточне редагування / рішення:

Будь ласка, дивіться прийняту відповідь Альфа. Оскільки python обробляє рядки строго за посиланням, а рядки STL часто копіюються, продуктивність кращої для реалізації ванільного python. Для порівняння, я зібрав і провів свої дані за допомогою коду Альфа, і ось продуктивність на тій же машині, що і всі інші запуски, по суті ідентична реалізації наївного пітона (хоча швидше, ніж реалізація python, яка скидає / додає список, як показано у вищевказаній редакції):

$ /usr/bin/time cat test_lines_double | ./split6
       15.09 real         0.01 user         0.45 sys
C++   : Saw 20000000 lines in 15 seconds.  Crunch speed: 1333333

Єдиний мій невеликий захват, що стосується кількості коду, необхідного для отримання C ++ для виконання у цьому випадку.

Одним із уроків цього випуску та вчорашнього питання читання строгого рядка (зв'язане вище) є те, що завжди слід орієнтуватися, а не робити наївні припущення щодо відносної «мови за умовчанням» у мовах. Я ціную освіту.

Ще раз дякую всім за ваші пропозиції!

Як припущення, рядки Python - це посилання, що перераховуються незмінними рядками, так що жоден рядок не копіюється навколо в коді Python, тоді як C ++ std::string є типом значення, що змінюється, і копіюється при найменшій можливості.

Якщо мета швидко розщеплюється, тоді можна використовувати постійні операції з підрядкою за часом, що означає лише посилання на частини вихідної рядки, як у Python (і Java, і C #…).

Клас C ++ std::string, однак, має одну функцію викупу: він є стандартним , щоб його можна було безпечно та переносити струнами навколо, де ефективність не є головною увагою. Але чату вистачає. Код - і на моїй машині це, звичайно, швидше, ніж Python, оскільки обробка рядків Python реалізована в C, що є підмножиною C ++ (він він):

#include <iostream>                                                              
#include <string>
#include <sstream>
#include <time.h>
#include <vector>

using namespace std;

class StringRef
{
private:
    char const*     begin_;
    int             size_;

public:
    int size() const { return size_; }
    char const* begin() const { return begin_; }
    char const* end() const { return begin_ + size_; }

    StringRef( char const* const begin, int const size )
        : begin_( begin )
        , size_( size )
    {}
};

vector<StringRef> split3( string const& str, char delimiter = ' ' )
{
    vector<StringRef>   result;

    enum State { inSpace, inToken };

    State state = inSpace;
    char const*     pTokenBegin = 0;    // Init to satisfy compiler.
    for( auto it = str.begin(); it != str.end(); ++it )
    {
        State const newState = (*it == delimiter? inSpace : inToken);
        if( newState != state )
        {
            switch( newState )
            {
            case inSpace:
                result.push_back( StringRef( pTokenBegin, &*it - pTokenBegin ) );
                break;
            case inToken:
                pTokenBegin = &*it;
            }
        }
        state = newState;
    }
    if( state == inToken )
    {
        result.push_back( StringRef( pTokenBegin, &*str.end() - pTokenBegin ) );
    }
    return result;
}

int main() {
    string input_line;
    vector<string> spline;
    long count = 0;
    int sec, lps;
    time_t start = time(NULL);

    cin.sync_with_stdio(false); //disable synchronous IO

    while(cin) {
        getline(cin, input_line);
        //spline.clear(); //empty the vector for the next line to parse

        //I'm trying one of the two implementations, per compilation, obviously:
//        split1(spline, input_line);  
        //split2(spline, input_line);

        vector<StringRef> const v = split3( input_line );
        count++;
    };

    count--; //subtract for final over-read
    sec = (int) time(NULL) - start;
    cerr << "C++   : Saw " << count << " lines in " << sec << " seconds." ;
    if (sec > 0) {
        lps = count / sec;
        cerr << "  Crunch speed: " << lps << endl;
    } else
        cerr << endl;
    return 0;
}

//compiled with: g++ -Wall -O3 -o split1 split_1.cpp -std=c++0x

Відмова: Я сподіваюся, що помилок немає. Я не перевіряв функціональність, а лише перевіряв швидкість. Але я думаю, навіть якщо є помилка або два, виправлення це не вплине суттєво на швидкість.

Я не пропоную жодних кращих рішень (принаймні для продуктивності), але деякі додаткові дані, які можуть бути цікавими.

Використання strtok_r(рецензійний варіант strtok):

void splitc1(vector<string> &tokens, const string &str,
        const string &delimiters = " ") {
    char *saveptr;
    char *cpy, *token;

    cpy = (char*)malloc(str.size() + 1);
    strcpy(cpy, str.c_str());

    for(token = strtok_r(cpy, delimiters.c_str(), &saveptr);
        token != NULL;
        token = strtok_r(NULL, delimiters.c_str(), &saveptr)) {
        tokens.push_back(string(token));
    }

    free(cpy);
}

Додатково використовуючи символьні рядки для параметрів та fgetsдля введення:

void splitc2(vector<string> &tokens, const char *str,
        const char *delimiters) {
    char *saveptr;
    char *cpy, *token;

    cpy = (char*)malloc(strlen(str) + 1);
    strcpy(cpy, str);

    for(token = strtok_r(cpy, delimiters, &saveptr);
        token != NULL;
        token = strtok_r(NULL, delimiters, &saveptr)) {
        tokens.push_back(string(token));
    }

    free(cpy);
}

І, в деяких випадках, де руйнування вхідного рядка є прийнятним:

void splitc3(vector<string> &tokens, char *str,
        const char *delimiters) {
    char *saveptr;
    char *token;

    for(token = strtok_r(str, delimiters, &saveptr);
        token != NULL;
        token = strtok_r(NULL, delimiters, &saveptr)) {
        tokens.push_back(string(token));
    }
}

Часи для них такі (включаючи мої результати для інших варіантів запитання та прийняту відповідь):

split1.cpp:  C++   : Saw 20000000 lines in 31 seconds.  Crunch speed: 645161
split2.cpp:  C++   : Saw 20000000 lines in 45 seconds.  Crunch speed: 444444
split.py:    Python: Saw 20000000 lines in 33 seconds.  Crunch Speed: 606060
split5.py:   Python: Saw 20000000 lines in 35 seconds.  Crunch Speed: 571428
split6.cpp:  C++   : Saw 20000000 lines in 18 seconds.  Crunch speed: 1111111

splitc1.cpp: C++   : Saw 20000000 lines in 27 seconds.  Crunch speed: 740740
splitc2.cpp: C++   : Saw 20000000 lines in 22 seconds.  Crunch speed: 909090
splitc3.cpp: C++   : Saw 20000000 lines in 20 seconds.  Crunch speed: 1000000

Як ми бачимо, рішення з прийнятої відповіді все-таки найшвидше.

Для всіх, хто хотів би зробити подальші тести, я також поставив ретро Github з усіма програмами з питання, прийнятої відповіді, цієї відповіді та додатково Makefile та скрипт для генерації тестових даних: https: // github. кому / tobbez / рядок-розщеплення .

Я підозрюю, що це відбувається через спосіб зміни std::vectorрозміру під час процесу виклику push_back (). Якщо ви спробуєте використати std::listабо std::vector::reserve()зарезервувати достатньо місця для речень, ви повинні отримати набагато кращі показники. Або ви можете використовувати комбінацію обох як нижче для split1 ():

void split1(vector<string> &tokens, const string &str,
        const string &delimiters = " ") {
    // Skip delimiters at beginning
    string::size_type lastPos = str.find_first_not_of(delimiters, 0);

    // Find first non-delimiter
    string::size_type pos = str.find_first_of(delimiters, lastPos);
    list<string> token_list;

    while (string::npos != pos || string::npos != lastPos) {
        // Found a token, add it to the list
        token_list.push_back(str.substr(lastPos, pos - lastPos));
        // Skip delimiters
        lastPos = str.find_first_not_of(delimiters, pos);
        // Find next non-delimiter
        pos = str.find_first_of(delimiters, lastPos);
    }
    tokens.assign(token_list.begin(), token_list.end());
}

EDIT : Інша очевидна річ, яку я бачу, це те, що змінна Python dummyотримує призначення кожного разу, але не змінюється. Тож це не справедливе порівняння проти C ++. Спробуйте змінити код Python, щоб його dummy = []ініціалізувати, а потім зробити dummy += line.split(). Чи можете ви повідомити час виконання після цього?

EDIT2 : Щоб зробити це ще більш справедливим, чи можете ви змінити цикл while в коді C ++ таким чином:

    while(cin) {
        getline(cin, input_line);
        std::vector<string> spline; // create a new vector

        //I'm trying one of the two implementations, per compilation, obviously:
//        split1(spline, input_line);  
        split2(spline, input_line);

        count++;
    };

Я думаю, що наступний код краще, використовуючи деякі функції C ++ 17 і C ++ 14:

// These codes are un-tested when I write this post, but I'll test it
// When I'm free, and I sincerely welcome others to test and modify this
// code.

// C++17
#include <istream>     // For std::istream.
#include <string_view> // new feature in C++17, sizeof(std::string_view) == 16 in libc++ on my x86-64 debian 9.4 computer.
#include <string>
#include <utility>     // C++14 feature std::move.

template <template <class...> class Container, class Allocator>
void split1(Container<std::string_view, Allocator> &tokens, 
            std::string_view str,
            std::string_view delimiter = " ") 
{
    /* 
     * The model of the input string:
     *
     * (optional) delimiter | content | delimiter | content | delimiter| 
     * ... | delimiter | content 
     *
     * Using std::string::find_first_not_of or 
     * std::string_view::find_first_not_of is a bad idea, because it 
     * actually does the following thing:
     * 
     *     Finds the first character not equal to any of the characters 
     *     in the given character sequence.
     * 
     * Which means it does not treeat your delimiters as a whole, but as
     * a group of characters.
     * 
     * This has 2 effects:
     *
     *  1. When your delimiters is not a single character, this function
     *  won't behave as you predicted.
     *
     *  2. When your delimiters is just a single character, the function
     *  may have an additional overhead due to the fact that it has to 
     *  check every character with a range of characters, although 
     * there's only one, but in order to assure the correctness, it still 
     * has an inner loop, which adds to the overhead.
     *
     * So, as a solution, I wrote the following code.
     *
     * The code below will skip the first delimiter prefix.
     * However, if there's nothing between 2 delimiter, this code'll 
     * still treat as if there's sth. there.
     *
     * Note: 
     * Here I use C++ std version of substring search algorithm, but u
     * can change it to Boyer-Moore, KMP(takes additional memory), 
     * Rabin-Karp and other algorithm to speed your code.
     * 
     */

    // Establish the loop invariant 1.
    typename std::string_view::size_type 
        next, 
        delimiter_size = delimiter.size(),  
        pos = str.find(delimiter) ? 0 : delimiter_size;

    // The loop invariant:
    //  1. At pos, it is the content that should be saved.
    //  2. The next pos of delimiter is stored in next, which could be 0
    //  or std::string_view::npos.

    do {
        // Find the next delimiter, maintain loop invariant 2.
        next = str.find(delimiter, pos);

        // Found a token, add it to the vector
        tokens.push_back(str.substr(pos, next));

        // Skip delimiters, maintain the loop invariant 1.
        //
        // @ next is the size of the just pushed token.
        // Because when next == std::string_view::npos, the loop will
        // terminate, so it doesn't matter even if the following 
        // expression have undefined behavior due to the overflow of 
        // argument.
        pos = next + delimiter_size;
    } while(next != std::string_view::npos);
}   

template <template <class...> class Container, class traits, class Allocator2, class Allocator>
void split2(Container<std::basic_string<char, traits, Allocator2>, Allocator> &tokens, 
            std::istream &stream,
            char delimiter = ' ')
{
    std::string<char, traits, Allocator2> item;

    // Unfortunately, std::getline can only accept a single-character 
    // delimiter.
    while(std::getline(stream, item, delimiter))
        // Move item into token. I haven't checked whether item can be 
        // reused after being moved.
        tokens.push_back(std::move(item));
}

Вибір контейнера:

1. std::vector.

   Якщо припустити, що початковий розмір виділеного внутрішнього масиву дорівнює 1, а кінцевий розмір - N, ви виділите та будете розміщувати для log2 (N) разів, і ви скопіюєте (2 ^ (log2 (N) + 1) - 1) = (2N - 1) разів. Як вказувалося в Чи є низька продуктивність std :: vector через те, що не називає realloc логарифмічною кількістю разів? , це може мати низьку продуктивність, коли розмір вектора непередбачуваний і може бути дуже великим. Але якщо ви зможете оцінити його розмір, це буде меншою проблемою.

2. std::list.

   Для кожного push_back час, який він витрачає, є постійним, але це, ймовірно, займе більше часу, ніж std :: vector на окремих push_back. Використання пулу пам'яті на один потік та спеціального розподільника може полегшити цю проблему.

3. std::forward_list.

   Те саме, що std :: list, але займає менше пам’яті на один елемент. Потрібен клас обгортки для роботи через відсутність push_back API.

4. std::array.

   Якщо ви можете знати межу зростання, то ви можете використовувати std :: array. Зважаючи на це, ви не можете використовувати його безпосередньо, оскільки він не має API push_back. Але ви можете визначити обгортку, і я думаю, що це найшвидший спосіб, і ви можете зберегти пам'ять, якщо ваша оцінка досить точна.

5. std::deque.

   Цей параметр дозволяє торгувати пам’яттю для продуктивності. Копія елемента не буде (2 ^ (N + 1) - 1) разів, лише N розподілу разів, і не буде розміщення. Також у вас буде постійний час випадкового доступу та можливість додавати нові елементи з обох кінців.

Відповідно до std :: deque-cppreference

З іншого боку, деки зазвичай мають великі мінімальні витрати на пам'ять; deque, що містить лише один елемент, повинен виділити свій повний внутрішній масив (наприклад, у 8 разів більший розмір об'єкта на 64-бітному libstdc ++; в 16 разів більший розмір об'єкта або 4096 байт, залежно від того, що більше, на 64-розрядний libc ++)

або ви можете використовувати комбо з цих:

1. std::vector< std::array<T, 2 ^ M> >

   Це схоже на std :: deque, різниця полягає лише в тому, що цей контейнер не підтримує додавання елемента спереду. Але вона все ще швидша в продуктивності, через те, що вона не буде копіювати базовий std :: масив протягом (2 ^ (N + 1) - 1) разів, він просто скопіює масив вказівника для (2 ^ (N - M + 1) - 1) разів, і виділити новий масив лише тоді, коли струм повний і не потрібно нічого розміщувати. До речі, ви можете отримати постійний час випадкового доступу.

2. std::list< std::array<T, ...> >

   Значно полегшити тиск фрагментації пам'яті. Він виділить новий масив лише тоді, коли поточний буде заповнений, і не потрібно нічого копіювати. Вам все одно доведеться заплатити ціну за додатковий покажчик, сумісний з комбо 1.

3. std::forward_list< std::array<T, ...> >

   Те саме, що 2, але коштує стільки ж пам’яті, що і комбінований 1.

Ви робите помилкове припущення, що обрана вами C ++ реалізація обов'язково швидша, ніж Python. Обробка рядків у Python дуже оптимізована. Докладніше див. У цьому запитанні: Чому операції std :: string не працюють погано?

Якщо ви скористаєтеся впровадженням split1 та зміните підпис, щоб він більше відповідав тому, який має split2, змінивши це:

void split1(vector<string> &tokens, const string &str, const string &delimiters = " ")

до цього:

void split1(vector<string> &tokens, const string &str, const char delimiters = ' ')

Ви отримуєте більш різку різницю між split1 та split2 та більш справедливим порівнянням:

split1  C++   : Saw 10000000 lines in 41 seconds.  Crunch speed: 243902
split2  C++   : Saw 10000000 lines in 144 seconds.  Crunch speed: 69444
split1' C++   : Saw 10000000 lines in 33 seconds.  Crunch speed: 303030

void split5(vector<string> &tokens, const string &str, char delim=' ') {

    enum { do_token, do_delim } state = do_delim;
    int idx = 0, tok_start = 0;
    for (string::const_iterator it = str.begin() ; ; ++it, ++idx) {
        switch (state) {
            case do_token:
                if (it == str.end()) {
                    tokens.push_back (str.substr(tok_start, idx-tok_start));
                    return;
                }
                else if (*it == delim) {
                    state = do_delim;
                    tokens.push_back (str.substr(tok_start, idx-tok_start));
                }
                break;

            case do_delim:
                if (it == str.end()) {
                    return;
                }
                if (*it != delim) {
                    state = do_token;
                    tok_start = idx;
                }
                break;
        }
    }
}

Я підозрюю, що це пов'язано з буферизацією на sys.stdin в Python, але не буферизацією в реалізації C ++.

Дивіться цю публікацію, щоб дізнатися, як змінити розмір буфера, а потім спробуйте порівняння ще раз: Встановити менший розмір буфера для sys.stdin?