问题:为什么在C ++中从stdin读取行比Python慢得多?
我想比较使用Python和C ++从stdin读取的字符串输入的行数,并且震惊地看到我的C ++代码运行速度比等效的Python代码慢一个数量级。由于我的C ++生锈,而且我还不是专家Pythonista,因此请告诉我我做错了什么还是误解了什么。
(TLDR回答:包括以下声明:cin.sync_with_stdio(false)
或仅使用fgets
代替。
TLDR结果:一直滚动到我的问题的底部,然后查看表格。)
C ++代码:
#include <iostream>
#include <time.h>
using namespace std;
int main() {
string input_line;
long line_count = 0;
time_t start = time(NULL);
int sec;
int lps;
while (cin) {
getline(cin, input_line);
if (!cin.eof())
line_count++;
};
sec = (int) time(NULL) - start;
cerr << "Read " << line_count << " lines in " << sec << " seconds.";
if (sec > 0) {
lps = line_count / sec;
cerr << " LPS: " << lps << endl;
} else
cerr << endl;
return 0;
}
// Compiled with:
// g++ -O3 -o readline_test_cpp foo.cpp
等同于Python:
#!/usr/bin/env python
import time
import sys
count = 0
start = time.time()
for line in sys.stdin:
count += 1
delta_sec = int(time.time() - start_time)
if delta_sec >= 0:
lines_per_sec = int(round(count/delta_sec))
print("Read {0} lines in {1} seconds. LPS: {2}".format(count, delta_sec,
lines_per_sec))
这是我的结果:
$ cat test_lines | ./readline_test_cpp
Read 5570000 lines in 9 seconds. LPS: 618889
$cat test_lines | ./readline_test.py
Read 5570000 lines in 1 seconds. LPS: 5570000
我应该注意,我在Mac OS X v10.6.8(Snow Leopard)和Linux 2.6.32(Red Hat Linux 6.2)下都尝试过。前者是MacBook Pro,后者是非常强大的服务器,并不是说这太相关了。
$ for i in {1..5}; do echo "Test run $i at `date`"; echo -n "CPP:"; cat test_lines | ./readline_test_cpp ; echo -n "Python:"; cat test_lines | ./readline_test.py ; done
Test run 1 at Mon Feb 20 21:29:28 EST 2012
CPP: Read 5570001 lines in 9 seconds. LPS: 618889
Python:Read 5570000 lines in 1 seconds. LPS: 5570000
Test run 2 at Mon Feb 20 21:29:39 EST 2012
CPP: Read 5570001 lines in 9 seconds. LPS: 618889
Python:Read 5570000 lines in 1 seconds. LPS: 5570000
Test run 3 at Mon Feb 20 21:29:50 EST 2012
CPP: Read 5570001 lines in 9 seconds. LPS: 618889
Python:Read 5570000 lines in 1 seconds. LPS: 5570000
Test run 4 at Mon Feb 20 21:30:01 EST 2012
CPP: Read 5570001 lines in 9 seconds. LPS: 618889
Python:Read 5570000 lines in 1 seconds. LPS: 5570000
Test run 5 at Mon Feb 20 21:30:11 EST 2012
CPP: Read 5570001 lines in 10 seconds. LPS: 557000
Python:Read 5570000 lines in 1 seconds. LPS: 5570000
微小的基准附录和总结
为了完整起见,我认为我将使用原始(已同步)C ++代码更新同一框上同一文件的读取速度。同样,这是针对快速磁盘上的100M行文件。这是比较,有几种解决方案/方法:
Implementation Lines per second
python (default) 3,571,428
cin (default/naive) 819,672
cin (no sync) 12,500,000
fgets 14,285,714
wc (not fair comparison) 54,644,808
回答 0
默认情况下,cin
与stdio同步,这将使其避免任何输入缓冲。如果将其添加到主目录的顶部,应该会看到更好的性能:
std::ios_base::sync_with_stdio(false);
通常,当缓冲输入流时,而不是一次读取一个字符,而是以更大的块读取该流。这减少了系统调用的数量,这些调用通常比较昂贵。但是,由于FILE*
基于stdio
和iostreams
通常具有单独的实现,因此也具有单独的缓冲区,如果将两者一起使用,则可能会导致问题。例如:
int myvalue1;
cin >> myvalue1;
int myvalue2;
scanf("%d",&myvalue2);
如果读取的输入cin
多于实际需要的输入,则该函数将无法使用第二个整数值,该scanf
函数具有自己的独立缓冲区。这将导致意外的结果。
为避免这种情况,默认情况下,流与同步stdio
。实现此目的的一种常用方法是cin
使用stdio
函数一次读取每个字符。不幸的是,这带来了很多开销。对于少量输入来说,这不是一个大问题,但是当您读取数百万行时,性能损失将是巨大的。
幸运的是,库设计人员决定,如果您知道自己在做什么,则还应该能够禁用此功能以提高性能,因此他们提供了该sync_with_stdio
方法。
回答 1
出于好奇,我了解了幕后情况,并且在每次测试中都使用了dtruss / strace。
C ++
./a.out < in
Saw 6512403 lines in 8 seconds. Crunch speed: 814050
系统调用 sudo dtruss -c ./a.out < in
CALL COUNT
__mac_syscall 1
<snip>
open 6
pread 8
mprotect 17
mmap 22
stat64 30
read_nocancel 25958
Python
./a.py < in
Read 6512402 lines in 1 seconds. LPS: 6512402
系统调用 sudo dtruss -c ./a.py < in
CALL COUNT
__mac_syscall 1
<snip>
open 5
pread 8
mprotect 17
mmap 21
stat64 29
回答 2
我在这里落后了几年,但是:
在原始帖子的“编辑4/5/6”中,您正在使用以下结构:
$ /usr/bin/time cat big_file | program_to_benchmark
这有两种不同的错误方式:
您实际上是在定时执行
cat
,而不是基准测试。显示的“用户”和“系统” CPU使用率time
是的cat
,而不是基准测试程序。更糟糕的是,“实时”时间也不一定准确。根据cat
本地操作系统中和管道的实现,有可能cat
在读取器进程完成其工作之前写入最终的巨型缓冲区并退出。使用
cat
是不必要的,实际上会适得其反;您正在添加活动部件。如果您使用的是足够老的系统(例如,具有单个CPU,并且-在某些代计算机中-I / O比CPU快),则仅cat
运行一个事实就可以使结果显色。您还必须遵守输入和输出缓冲以及其他处理的所有cat
要求。(如果我是Randal Schwartz,这可能会为您赢得“猫的无用使用”奖。
更好的构造是:
$ /usr/bin/time program_to_benchmark < big_file
在此语句中,外壳程序将打开big_file,并将其作为已打开的文件描述符传递给您的程序(time
然后,实际上将其作为子进程执行到该程序)。所读取文件的100%严格是您要进行基准测试的程序的责任。这使您可以真正了解其性能,而不会产生虚假的并发症。
我会提到两个可能但实际上是错误的“修复程序”,这些也可以考虑(但我对它们进行了“不同”的编号,因为这些并不是原始帖子中出现的错误):
答:您可以通过仅定时执行程序来“修复”此问题:
$ cat big_file | /usr/bin/time program_to_benchmark
B.或通过计时整个管道:
$ /usr/bin/time sh -c 'cat big_file | program_to_benchmark'
由于与#2相同的原因,它们是错误的:它们仍在cat
不必要地使用。我提到它们的原因有几个:
对于对POSIX shell的I / O重定向功能不完全满意的人来说,它们更“自然”
可能存在的情况
cat
是需要(例如:要读取的文件需要某种特权来访问,并且不希望授予该特权的程序进行基准测试:sudo cat /dev/sda | /usr/bin/time my_compression_test --no-output
)实际上,在现代机器上,
cat
管道中添加的内容可能没有任何实际意义。
但是我有些犹豫地说那最后一件事。如果我们检查“ Edit 5”中的最后一个结果-
$ /usr/bin/time cat temp_big_file | wc -l
0.01user 1.34system 0:01.83elapsed 74%CPU ...
-这声称cat
在测试期间消耗了74%的CPU; 而实际上1.34 / 1.83约为74%。也许运行:
$ /usr/bin/time wc -l < temp_big_file
只会花剩下的0.49秒!可能不需要:cat
这里必须支付read()
从文件“磁盘”(实际上是缓冲区高速缓存)传输文件的系统调用(或等效调用),以及为将文件传递到的管道写操作wc
。正确的测试仍然必须进行这些read()
调用。只有写到管道和读到管道调用将被保存,并且这些调用应该非常便宜。
尽管如此,我预计您将能够测量出两者之间的差异cat file | wc -l
,wc -l < file
并找到明显的差异(两位数百分比)。每个较慢的测试在绝对时间内都会付出类似的代价。但是,这只占其总时间的一小部分。
实际上,我在Linux 3.13(Ubuntu 14.04)系统上对1.5 GB的垃圾文件进行了一些快速测试,获得了这些结果(这些结果实际上是“最好的3个”结果;当然,在启动缓存之后):
$ time wc -l < /tmp/junk
real 0.280s user 0.156s sys 0.124s (total cpu 0.280s)
$ time cat /tmp/junk | wc -l
real 0.407s user 0.157s sys 0.618s (total cpu 0.775s)
$ time sh -c 'cat /tmp/junk | wc -l'
real 0.411s user 0.118s sys 0.660s (total cpu 0.778s)
请注意,这两个管道结果声称比实际的挂钟时间花费了更多的CPU时间(user + sys)。这是因为我正在使用shell(bash)的内置“ time”命令,该命令可以识别管道。我在多核计算机上,流水线中的各个进程可以使用各个核,因此,CPU时间的累积要比实时更快。通过使用,/usr/bin/time
我看到的CPU时间比实时时间要短-表明它只能计时单个管道元素在其命令行上传递给它的时间。而且,shell的输出/usr/bin/time
仅提供毫秒,而仅提供百分之一秒。
因此,在的效率水平上wc -l
,将cat
产生巨大的差异:409/283 = 1.453或45.3%多的实时,和775/280 = 2.768,或多177%的CPU使用!在我的随机情况下,它是同时存在的测试箱。
我要补充一点,这些测试样式之间至少存在另一个显着差异,我不能说这是好处还是错误;您必须自己决定:
运行时cat big_file | /usr/bin/time my_program
,您的程序正在以正好由发送的速度从管道接收输入cat
,并且块的大小不得大于编写的速度cat
。
运行时/usr/bin/time my_program < big_file
,程序会收到一个指向实际文件的打开文件描述符。当您的程序(或在许多情况下,该语言是使用其编写的语言的I / O库)在提供引用常规文件的文件描述符时可能会采取不同的操作。它可能用于mmap(2)
将输入文件映射到其地址空间,而不是使用显式的read(2)
系统调用。与运行cat
二进制文件的少量费用相比,这些差异可能会对基准测试结果产生更大的影响。
当然,如果同一程序在两种情况下的执行情况显着不同,这将是一个有趣的基准结果。它确实表明该程序或其I / O库正在做一些有趣的事情,例如使用mmap()
。因此,在实践中最好同时使用两种基准。也许将cat
结果小幅折算以“原谅”其运行成本cat
。
回答 3
我在Mac上使用g ++在计算机上重现了原始结果。
在while
循环之前将以下语句添加到C ++版本,使其与Python版本内联:
std::ios_base::sync_with_stdio(false);
char buffer[1048576];
std::cin.rdbuf()->pubsetbuf(buffer, sizeof(buffer));
sync_with_stdio将速度提高到2秒,并且设置更大的缓冲区将其降低到1秒。
回答 4
getline
scanf
如果您不关心文件加载时间或正在加载小型文本文件,则流操作符可以很方便。但是,如果性能是您所关心的,那么您实际上应该只是将整个文件缓冲到内存中(假设它将适合)。
这是一个例子:
//open file in binary mode
std::fstream file( filename, std::ios::in|::std::ios::binary );
if( !file ) return NULL;
//read the size...
file.seekg(0, std::ios::end);
size_t length = (size_t)file.tellg();
file.seekg(0, std::ios::beg);
//read into memory buffer, then close it.
char *filebuf = new char[length+1];
file.read(filebuf, length);
filebuf[length] = '\0'; //make it null-terminated
file.close();
如果需要,可以将流包装在该缓冲区周围,以便更方便地进行访问,如下所示:
std::istrstream header(&filebuf[0], length);
另外,如果您控制文件,请考虑使用平面二进制数据格式而不是文本。读写更加可靠,因为您不必处理所有空白。它也更小且解析速度更快。
回答 5
对于我来说,以下代码比到目前为止发布的其他代码更快:(Visual Studio 2013,64位,500 MB文件,行长统一为[0,1000))。
const int buffer_size = 500 * 1024; // Too large/small buffer is not good.
std::vector<char> buffer(buffer_size);
int size;
while ((size = fread(buffer.data(), sizeof(char), buffer_size, stdin)) > 0) {
line_count += count_if(buffer.begin(), buffer.begin() + size, [](char ch) { return ch == '\n'; });
}
它比我的所有Python尝试都要多2倍。
回答 6
顺便说一句,C ++版本的行数比Python版本的行数大1个原因是,仅当尝试读取超出eof的值时,才会设置eof标志。因此正确的循环将是:
while (cin) {
getline(cin, input_line);
if (!cin.eof())
line_count++;
};
回答 7
在您的第二个示例(带有scanf())的情况下,这样做仍然较慢的原因可能是因为scanf(“%s”)解析了字符串并查找了任何空格字符(空格,制表符,换行符)。
同样,是的,CPython进行了一些缓存以避免硬盘读取。
回答 8
答案的第一要素:<iostream>
缓慢。该死的慢。scanf
如下所示,我获得了巨大的性能提升,但是它仍然比Python慢两倍。
#include <iostream>
#include <time.h>
#include <cstdio>
using namespace std;
int main() {
char buffer[10000];
long line_count = 0;
time_t start = time(NULL);
int sec;
int lps;
int read = 1;
while(read > 0) {
read = scanf("%s", buffer);
line_count++;
};
sec = (int) time(NULL) - start;
line_count--;
cerr << "Saw " << line_count << " lines in " << sec << " seconds." ;
if (sec > 0) {
lps = line_count / sec;
cerr << " Crunch speed: " << lps << endl;
}
else
cerr << endl;
return 0;
}
回答 9
好吧,我看到在您的第二个解决方案中,您从切换cin
到scanf
,这是我要向您提出的第一个建议(cin是sloooooooooooow)。现在,如果您从切换scanf
到fgets
,则会看到性能的另一提升:fgets
是用于字符串输入的最快的C ++函数。
顺便说一句,不知道同步的事情,很好。但是您仍然应该尝试fgets
。