摘要:而内存的物理地址中,二维数组是以行优先的顺序存储,测试图像数据大小为字节,假设内存页为字节,那么按行优先遍历,遍历完一行则中断一次缺页,整个过程只需要中断次缺页异常,进行页替换。综上所述行优先遍历的方式比列优先效率快。
数组是数据结构的基础,之所以这么说是因为数组反映了内存的物理结构。在内存中,数组是连续分布的。而在程序中,往往要在内存中分配一块连续的空间来使用。例如,在图像处理邻域,耳熟能详的opencv中有一数据类型Mat,我们一般都会以Mat来存储图像数据。Mat是一个二维数组,可以通过两个for循环遍历图像上各个像素值。有人习惯按行优先遍历,有人喜欢按列优先遍历,表面上看,这两中写法的时间复杂度都是O(nm)(n表示图像的高,m表示图像的宽),可实际上是否都是O(nm)呢?
列优先遍历代码如下(示例):
Mat src = imread("image0.jpg", IMREAD_GRAYSCALE); if (!src.empty()) imshow("src", src); int nums = 10; while (nums) { double t = (double)getTickCount(); for (int i = 0; i < src.cols; i++) { for (int j = 0; j < src.rows; j++) { uchar srcValue = src.at<uchar>(j, i); } } t = ((double)getTickCount() - t) / getTickFrequency(); //获得时间,单位是秒 cout << "time:" << t<<"ms"<<endl; nums--; }
通过一个循环,重复测试了10次,列优先遍历的时间耗时通过控制台打印如下:
行优先遍历代码如下(示例):
Mat src = imread("image0.jpg", IMREAD_GRAYSCALE); if (!src.empty()) imshow("src", src); int nums = 10; while (nums) { double t = (double)getTickCount(); for (int i = 0; i < src.rows; i++) { for (int j = 0; j < src.cols; j++) { uchar srcValue = src.at<uchar>(i, j); } } t = ((double)getTickCount() - t) / getTickFrequency(); //获得时间,单位是秒 cout << "time:" << t<<"ms"<<endl; nums--; }
同样,行优先遍历也通过一个循环,重复测试了10次,时间耗时通过控制台打印如下:
通过以上测试可以发现,行优先遍历的方式比列优先效率快。
1. CPU高速缓存(英语:CPU Cache):在计算机系统中,CPU高速缓存是用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。当处理器发出内存访问请求时,会先查看缓存内是否有请求数据。如果存在(命中),则不经访问内存直接返回该数据;如果不存在(失效),则要先把内存中的相应数据载入缓存,再将其返回处理器。缓存之所以有效,主要是因为程序运行时对内存的访问呈现局部性(Locality)特征。这种局部性既包括空间局部性(Spatial Locality),也包括时间局部性(Temporal Locality)。有效利用这种局部性,缓存可以达到极高的命中率。(百度百科解释)。
2.虚拟内存:虚拟内存被操作系统用以管理内存,对物理内存进行扩展,其作用是替代物理内存的部分工作来运行程序,让操作系统就可以运行更多的程序,同时执行更多的任务。
3.二维数组在内存中的存储结构如下图:数据在内存中是以行优先的方式存储。
4.代码测试的图像大小为4096X1200,位深度为8,如下图。之所以行优先遍历的方式比列优先效率快,是因为cpu在访问内存地址的时候,首先访问的是虚拟内存,检查TLB,映射成对应的物理地址进行数据访问。如果命中,会得到其物理地址,之后会访问cache,如果cache中有要访问的数据,那么本次访问就结束,如果没有,就到内存中寻找,并更新cache;如果TLB不命中,那么那么系统内核会调用缺页异常处理程序去处理,这个过程中会进行页替换等操作,最终取得要访问的数据。而内存的物理地址中,二维数组是以行优先的顺序存储,测试图像数据大小为4096X1200字节,假设内存页为4096字节,那么按行优先遍历,遍历完一行则中断一次缺页,整个过程只需要中断1200次缺页异常,进行页替换。而按列优先遍历,每遍历一个元素便中断一次缺页异常,整个过程4096X1200次中断,可想而知,按列优先遍历产生中断耗时比按行优先遍历大了许多。而实际中物理内存一般比较充足,系统分配的页内存远远不止4096字节,所以缺页中断的次数不会这么多。同理,如果检查TLB命中,得到其物理地址之后会访问cache,如果cache没有要访问的数据,就到内存中寻找,并更新cache;由于二维数组在内存中的存储方式,按列优先遍历访问cache的命中率比按行优先遍历的低。
综上所述:行优先遍历的方式比列优先效率快。
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