为什么 Swift 在 for-in 循环中使用下标语法比使用直接访问元素更快?

Question

我读了著名的 为什么处理排序数组比处理未排序数组更快？我决定尝试尝试其他语言，如 Swift。我对 2 个非常相似的代码片段之间的运行时差异感到惊讶。

在 Swift 中，人们可以直接访问数组中的元素，也可以在 for-in 循环中使用下标访问数组中的元素。例如，此代码：

for i in 0..<size {
sum += data[i]
}

可以写：

for element in data {
sum += element
}

sizedata长度，data可汇总元素数组。

因此，我刚刚在 Swift(代码下方(中实现了与我在第一段中提到的问题相同的算法，令我惊讶的是，第一种方法大约比第二种方法快 5 倍。

我真的不知道后台下标实现，但我认为直接访问 Swift for-in 循环中的元素只是语法糖。

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问题

我的问题是两种for-in语法有什么区别，为什么使用下标更快？

这是计时器的详细信息。我在 2015 年初带有 Commande Line Project 的 MacBook Air 上使用带有 Swift 4.1 的 Xcode 9.4.1。

// Using Direct Element Access
Elapsed Time: 8.506288427
Sum: 1051901000

与

// Using Subscript
Elapsed Time: 1.483967902
Sum: 1070388000

额外问题：为什么 Swift 中的执行速度比 C++ 慢 100 倍(在 n 个 Xcode 项目中，两者都在同一台 Mac 上执行(？例如，C++ 中的 100,000 次重复与 Swift 中的 1,000 次重复几乎相同。我的第一个猜测是，Swift 是一种比 C++ 更高级的语言，例如 Swift 运行更多的安全检查。

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这是我使用的 Swift 代码，我只修改了第二个嵌套循环：

import Foundation
import GameplayKit
let size = 32_768
var data = [Int]()
var sum  = 0
var rand = GKRandomDistribution(lowestValue: 0, highestValue: 255)
for _ in 0..<size {
data.append(rand.nextInt())
}
// data.sort()
let start = DispatchTime.now()
for _ in 0..<1_000 {
// Only the following for-in loop changes
for i in 0..<size {
if data[i] <= 128 {
sum += data[i]
}
}
}
let stop     = DispatchTime.now()
let nanoTime = stop.uptimeNanoseconds - start.uptimeNanoseconds
let elapsed  = Double(nanoTime) / 1_000_000_000
print("Elapsed Time: (elapsed)")
print("Sum: (sum)")

Answer 1

整体性能输出在很大程度上取决于编译器所做的优化。如果在启用优化的情况下编译代码，您将看到两种解决方案之间的差异很小。

为了演示这一点，我更新了您的代码，添加了两个方法，一个使用subscripting，另一个使用for-in。

import Foundation
import GameplayKit
let size = 32_768
var data = [Int]()
var sum  = 0
var rand = GKRandomDistribution(lowestValue: 0, highestValue: 255)
for _ in 0..<size {
data.append(rand.nextInt())
}
// data.sort()
func withSubscript() {
let start = DispatchTime.now()
for _ in 0..<1_000 {
for i in 0..<size {
if data[i] <= 128 {
sum += data[i]
}
}
}
let stop    = DispatchTime.now()
let elapsed = Double(stop.uptimeNanoseconds - start.uptimeNanoseconds) / 1_000_000_000
print("With subscript:")
print("- Elapsed Time: (elapsed)")
print("- Sum: (sum)")
}
func withForIn() {
let start = DispatchTime.now()
for _ in 0..<1_000 {
for element in data {
if element <= 128 {
sum += element
}
}
}
let stop    = DispatchTime.now()
let elapsed = Double(stop.uptimeNanoseconds - start.uptimeNanoseconds) / 1_000_000_000
print("With for-in:")
print("- Elapsed Time: (elapsed)")
print("- Sum: (sum)")
}
withSubscript()
withForIn()

我将该代码保存到名为array-subscripting.swift的文件中。

然后，从命令行，我们可以在没有任何优化的情况下运行它，如下所示：

$ swift array-subscripting.swift 
With subscript:
- Elapsed Time: 0.924554249
- Sum: 1057062000
With for-in:
- Elapsed Time: 5.796038213
- Sum: 2114124000

正如您在帖子中提到的，性能存在很大差异。

当使用优化编译代码时，这种差异可以忽略不计：

$ swiftc array-subscripting.swift -O
$ ./array-subscripting 
With subscript:
- Elapsed Time: 0.110622556
- Sum: 1054578000
With for-in:
- Elapsed Time: 0.11670454
- Sum: 2109156000

如您所见，这两种解决方案都比以前快得多，并且在时间执行上非常相似。

回到你最初的问题，subscripting提供了对内存的直接访问，这在连续数组的情况下非常有效，其中元素彼此相邻存储在内存中。

另一方面，for-in循环会为数组中的每个元素创建一个不可变的副本，这会导致性能下降。