[コンテナクラス]vectorの要素に短い記述で高速にアクセスしたい。

Question

前提・実現したいこと

vectro.atを使用するより、ポインタを使って要素へアクセスした方が遥かに速いのですが、
at以外の方法で何か一行の記述で高速に要素にアクセスできる方法はないのでしょうか。
もし知っていたら共有していただけないでしょうか。

以上、よろしくお願いします。

該当のソースコード

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

using namespace std;

const int NUM_ELEMENTS = 1000;
const int NUM_ROOP = 100000;
int main()
{

	vector<int> vector_int_at(NUM_ELEMENTS);
	vector<int> vector_int_pointer(NUM_ELEMENTS);

	clock_t start = clock();

	for (int j = 0; j < NUM_ROOP; j++) {
		for (int i = 0; i < NUM_ELEMENTS; i++) {
			vector_int_at.at(i) = 100;//atを使って配列にアクセス
		}
	}
	clock_t end = clock();     // 終了時間
	std::cout << "duration = " << (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC << "sec.\n";


	start = clock();

	for (int j = 0; j < NUM_ROOP; j++) {
		int* p = &vector_int_pointer[0];
		for (int i = 0; i < NUM_ELEMENTS; i++) {
			 *p= 100;//要素iを100にする
			 p++;//次の配列に進む。
		}
	}
	end = clock();     // 終了時間
	std::cout << "duration = " << (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC << "sec.\n";

	return 0;
}

出力結果

duration = 1.096sec.
duration = 0.16sec

Answer 1

at() はインデックスが有効かどうかの判定処理が入っている分、operator[] やポインタで直接アクセスするより遅くなります。
全部同じ値に埋めたいのであれば、std::fill() を使うのが一番はやいですが、そうでないランダムアクセスであれば、ポインタ経由のアクセスが最速となると思います。

手元で確認したところ、at() と operator[] やポインタで質問者さんの書かれているように4倍以上の差が出ませんでしたが、at() が一番遅いのは当然そうなるかと思います。

一行の記述で高速に要素にアクセスということであれば、[] 演算子によるアクセスでいいのではないでしょうか

benchmark name                       samples       iterations    estimated
                                     mean          low mean      high mean
                                     std dev       low std dev   high std dev
-------------------------------------------------------------------------------
at()                                           100             1     6.55896 s 
                                        64.0391 ms    63.8582 ms    64.2244 ms 
                                        931.751 us    801.186 us    1.09331 ms

operator[]                                     100             1     5.80973 s 
                                        57.4993 ms    57.3212 ms    57.6661 ms
                                        881.166 us    768.317 us    1.02376 ms

data()                                         100             1     3.21944 s
                                        31.4387 ms    31.3449 ms     31.538 ms
                                         493.85 us    447.879 us    581.101 us

std::fill()                                    100             1    489.223 ms
                                        5.27831 ms     5.2461 ms    5.31247 ms
                                        168.613 us    158.597 us    181.088 us

Catch2 でベンチマークを取りました。

#define CATCH_CONFIG_MAIN
#define CATCH_CONFIG_ENABLE_BENCHMARKING
#include <catch2/catch.hpp>

TEST_CASE("std::vector")
{
    using namespace std;
    const int NUM_ELEMENTS = 1000;
    const int NUM_ROOP     = 100000;
    vector<int> v(NUM_ELEMENTS);

    BENCHMARK("at()")
    {
        for (int j = 0; j < NUM_ROOP; j++) {
            for (int i = 0; i < NUM_ELEMENTS; i++)
                v.at(i) = 100;
        }
    };

    BENCHMARK("operator[]")
    {
        for (int j = 0; j < NUM_ROOP; j++) {
            for (int i = 0; i < NUM_ELEMENTS; i++)
                v[i] = 100;
        }
    };

    BENCHMARK("data()")
    {
        for (int j = 0; j < NUM_ROOP; j++) {
            int *p = v.data();
            for (int i = 0; i < NUM_ELEMENTS; i++) {
                *p = 100;
                p++;
            }
        }
    };

    BENCHMARK("std::fill()")
    {
        for (int j = 0; j < NUM_ROOP; j++)
            std::fill(v.begin(), v.end(), -1);
    };
}

Comments

[Matt_]

ご丁寧にベンチマークを取っていただきありがとうございました。
試してみたところ、確かにoperatorを使った記述が速かったです。
ありがとうございました。