getline函数 - 为什么读取stdin中的行比C++慢得多?




python benchmarking (7)

我想比较使用Python和C ++的stdin字符串输入的读取行,并且很惊讶地看到我的C ++代码比等效的Python代码慢了一个数量级。 由于我的C ++很生疏,而且我还不是专家蟒蛇,所以请告诉我,如果我做错了什么或者我误解了某些东西。

(TLDR答案:包括声明: cin.sync_with_stdio(false)或者只是使用fgets代替。

TLDR结果:一直滚动到我的问题的底部并查看表格。)

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

Python等效:

#!/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

编辑: 我应该注意到,我在Mac OS X v10.6.8(Snow Leopard)和Linux 2.6.32(Red Hat Linux 6.2)下都尝试了这一点。 前者是一台MacBook Pro,后者则是一台非常强大的服务器,并不是说这样太贴切。

编辑2 :( 删除此编辑,不再适用)

$ 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

编辑3:

好吧,我尝试了JN的建议,试图让Python存储行读取:但它对python的速度没有任何影响。

我也尝试过JN的建议,将scanf转换为char数组,而不是将getline转换为std::string 。 答对了! 这导致Python和C ++的性能相当。 (我的输入数据是3,333,333个LPS,顺便说一句,每个都只有三个字段的短行,通常约20个字符宽,有时甚至更多)。

码:

char input_a[512];
char input_b[32];
char input_c[512];
while(scanf("%s %s %s\n", input_a, input_b, input_c) != EOF) {
    line_count++;
};

速度:

$ cat test_lines | ./readline_test_cpp2
Read 10000000 lines in 3 seconds. LPS: 3333333
$ cat test_lines | ./readline_test2.py
Read 10000000 lines in 3 seconds. LPS: 3333333

(是的,我跑了几次。)所以,我想我现在将使用scanf而不是getline 。 但是,如果人们认为std::string / getline这种性能是典型和合理的,我仍然很好奇。

编辑4(是:最终编辑/解决方案):

添加:

cin.sync_with_stdio(false);

在我上面的原始while循环之上立即产生比Python运行得更快的代码。

新的性能比较 (这是在我的2011年MacBook Pro上),分别使用原始代码,禁用同步的原始代码和原始Python代码,在具有20M行文本的文件上进行比较。 是的,我跑了几次,以消除磁盘缓存混淆。

$ /usr/bin/time cat test_lines_double | ./readline_test_cpp
       33.30 real         0.04 user         0.74 sys
Read 20000001 lines in 33 seconds. LPS: 606060
$ /usr/bin/time cat test_lines_double | ./readline_test_cpp1b
        3.79 real         0.01 user         0.50 sys
Read 20000000 lines in 4 seconds. LPS: 5000000
$ /usr/bin/time cat test_lines_double | ./readline_test.py
        6.88 real         0.01 user         0.38 sys
Read 20000000 lines in 6 seconds. LPS: 3333333

感谢@Vaughn Cato的回答! 任何精心制作的人们都可以做出很好的引用,人们可以指出为什么这种同步发生,它的意思,什么时候有用,什么时候可以禁用,将会被后人所高度赞赏。 :-)

编辑5 /更好的解决方案:

正如Gandalf The Gray所建议的那样, scanfscanf或非同步cin方法更快。 我还了解到scanfgets都是不安全的,并且由于潜在的缓冲区溢出而不应该被使用。 所以,我用fgets写了这个迭代,这是获得更安全的选择。 下面是我的同伴新手的相关内容:

char input_line[MAX_LINE];
char *result;

//<snip>

while((result = fgets(input_line, MAX_LINE, stdin )) != NULL)
    line_count++;
if (ferror(stdin))
    perror("Error reading stdin.");

现在,下面是在具有非常快的磁盘的快速服务器上使用更大文件(100M行;〜3.4 GB)的结果,比较Python代码,非同步cinfgets方法,以及与wc实用程序进行比较。 [ scanf版本分割错误,我不想排除故障。]:

$ /usr/bin/time cat temp_big_file | readline_test.py
0.03user 2.04system 0:28.06elapsed 7%CPU (0avgtext+0avgdata 2464maxresident)k
0inputs+0outputs (0major+182minor)pagefaults 0swaps
Read 100000000 lines in 28 seconds. LPS: 3571428

$ /usr/bin/time cat temp_big_file | readline_test_unsync_cin
0.03user 1.64system 0:08.10elapsed 20%CPU (0avgtext+0avgdata 2464maxresident)k
0inputs+0outputs (0major+182minor)pagefaults 0swaps
Read 100000000 lines in 8 seconds. LPS: 12500000

$ /usr/bin/time cat temp_big_file | readline_test_fgets
0.00user 0.93system 0:07.01elapsed 13%CPU (0avgtext+0avgdata 2448maxresident)k
0inputs+0outputs (0major+181minor)pagefaults 0swaps
Read 100000000 lines in 7 seconds. LPS: 14285714

$ /usr/bin/time cat temp_big_file | wc -l
0.01user 1.34system 0:01.83elapsed 74%CPU (0avgtext+0avgdata 2464maxresident)k
0inputs+0outputs (0major+182minor)pagefaults 0swaps
100000000


Recap (lines per second):
python:         3,571,428
cin (no sync): 12,500,000
fgets:         14,285,714
wc:            54,644,808

正如你所看到的, fgets比较好,但离wc性能还差得很远; 我很确定这是由于wc检查每个字符而没有任何内存复制的事实。 我怀疑在这一点上,代码的其他部分将成为瓶颈,所以即使可能的话,我也不认为优化到这个水平甚至是值得的(因为毕竟我实际上需要存储读取线在记忆中)。

还要注意,使用char *缓冲区和fgets与非同步cin进行字符串的小折衷是,后者可以读取任意长度的行,而前者要求将输入限制为某个有限数字。 在实践中,读取大多数基于行的输入文件可能不是问题,因为缓冲区可以设置为一个非常大的值,不会被有效输入超出。

这是教育。 感谢大家的意见和建议。

编辑6:

正如JF Sebastian在下面的评论中所建议的那样,GNU wc实用程序使用plain C read() (在safe-read.c包装内)来一次读取16k字节块并计算新行。 下面是一个基于JF代码的Python等价物(只显示替代Python for循环的相关代码片段:

BUFFER_SIZE = 16384
count = sum(chunk.count('\n') for chunk in iter(partial(sys.stdin.read, BUFFER_SIZE), ''))

这个版本的性能非常快(当然,仍然比原始的C wc工具慢):

$ /usr/bin/time cat temp_big_file | readline_test3.py
0.01user 1.16system 0:04.74elapsed 24%CPU (0avgtext+0avgdata 2448maxresident)k
0inputs+0outputs (0major+181minor)pagefaults 0swaps
Read 100000000 lines in 4.7275 seconds. LPS: 21152829

同样,对于我来说,将C ++ fgets / cin和第一个Python代码与wc -l以及另一个Python代码片段进行比较对我来说有点愚蠢,因为后两者实际上并不存储读取的行,但是只需要换行符。 不过,探索所有不同的实现并考虑性能影响是很有趣的。 再次感谢!

编辑7:微小的基准附录和回顾

为了完整起见,我认为我会用原始(同步的)C ++代码更新同一个文件夹中相同文件的读取速度。 再次,这是一个快速磁盘上的100M行文件。 这里是完整的表格:

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

以下代码对于我来说比目前发布的其他代码更快:(Visual Studio 2013,64位,500 MB文件,行长度均匀地位于[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'; });
}

它比我们的所有Python尝试都多出2倍。


出于好奇,我看了一下发生了什么,我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

syscalls 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

蟒蛇

./a.py < in
Read 6512402 lines in 1 seconds. LPS: 6512402

syscalls sudo dtruss -c ./a.py < in

CALL                                        COUNT
__mac_syscall                                   1
<snip>
open                                            5
pread                                           8
mprotect                                       17
mmap                                           21
stat64                                         29

如果您不关心文件加载时间或者您正在加载小文本文件, getline ,流操作符scanf可以很方便。 但是,如果性能是你关心的,那么你应该将整个文件缓冲到内存中(假设它适合)。

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();

如果你愿意,你可以围绕缓冲区打包一个流,以便更方便地访问,如下所示:

std::istrstream header(&buffer[0], length);

另外,如果您在控制文件,请考虑使用平面二进制数据格式而不是文本。 读取和写入更可靠,因为您不必处理空白的所有含糊问题。 分析也更小,速度更快。


我在Mac上使用g ++在计算机上复制了原始结果。

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,并将较大的缓冲区设置为1秒。


答案的第一个元素: <iostream>很慢。 该死的很慢。 如下所示,我用scanf获得了巨大的性能提升,但仍然比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;
}

那么,我发现在你的第二个解决方案中,你从cin切换到scanf ,这是我准备给你的第一个建议(cin is sloooooooooooow)。 现在,如果你从scanf切换到fgets ,你会看到性能的另一个提升: fgets是字符串输入最快的C ++函数。

顺便说一句,不知道那个同步的事情,很好。 但你仍然应该尝试fgets


默认情况下, cin与stdio同步,这会导致它避免任何输入缓冲。 如果您将其添加到主体的顶部,您应该看到更好的性能:

std::ios_base::sync_with_stdio(false);

通常,当缓冲输入流时,不会一次读取一个字符,而是以较大的块读取流。 这减少了系统调用的数量,这通常相对昂贵。 但是,由于基于FILE*stdioiostreams通常具有单独的实现并因此具有单独的缓冲区,因此如果两者一起使用,则可能会导致问题。 例如:

int myvalue1;
cin >> myvalue1;
int myvalue2;
scanf("%d",&myvalue2);

如果cin读取的输入比实际需要的多,那么第二个整数值将不可用于scanf函数,该函数具有自己的独立缓冲区。 这会导致意想不到的结果。

为了避免这种情况,默认情况下,流与stdio同步。 实现这一点的一种常见方式是让cin根据需要使用stdio函数逐个读取每个字符。 不幸的是,这会带来很多开销。 对于少量的输入,这不是一个大问题,但是当你阅读数百万行代码时,性能损失很大。

幸运的是,如果您知道自己在做什么,库设计人员决定也应该禁用此功能以提高性能,因此他们提供了sync_with_stdio方法。







getline