究竟！為什么處理排序后的數(shù)組比沒有排序的快？想過沒有？
今天周日，沒什么重要的事情要做，于是我早早的就醒來了?？戳艘粫蛇叴疽坏臅?，內(nèi)心逐漸感到平靜——心情不佳的時候，書好像是最好的藥物。心情平靜了，就需要做一些更有意義的事情——逛技術(shù)網(wǎng)站，學(xué)習(xí)精進(jìn)。
Stack Overflow 是我最喜歡逛的一個網(wǎng)站，它是我 Chrome 瀏覽器的第一個書簽。
里面有很多很多經(jīng)典的問題，其中一些回答，剖析得深入我心。就比如說這個：“為什么處理排序后的數(shù)組比沒有排序的快？”
毫無疑問，直觀印象里，排序后的數(shù)組處理起來就是要比沒有排序的快，甚至不需要理由，就好像我們知道“夏天吃冰激凌就是爽，冬天穿羽絨服就是暖和”一樣。
但本著“知其然知其所以然”的態(tài)度，我們確實需要去搞清楚到底是為什么？
來看一段 Java 代碼：
/**
?*?@author?沉默王二，一枚有趣的程序員
?*/
public?class?SortArrayFasterDemo?{
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????//?聲明數(shù)組
????????int?arraySize?=?32768;
????????int?data[]?=?new?int[arraySize];
????????Random?rnd?=?new?Random(0);
????????for?(int?c?=?0;?c?????????????data[c]?=?rnd.nextInt()?%?256;
????????}
????????//?!!!?排序后，比沒有排序要快
????????Arrays.sort(data);
????????//?測試
????????long?start?=?System.nanoTime();
????????long?sum?=?0;
????????for?(int?i?=?0;?i?100000;?++i)
????????{
????????????//?循環(huán)
????????????for?(int?c?=?0;?c?????????????{
????????????????if?(data[c]?>=?128)?{
????????????????????sum?+=?data[c];
????????????????}
????????????}
????????}
????????System.out.println((System.nanoTime()?-?start)?/?1000000000.0);
????????System.out.println("sum?=?"?+?sum);
????}
}
這段代碼非常簡單，我來解釋一下：
聲明一個指定長度（32768）的數(shù)組。
聲明一個 Random 隨機(jī)數(shù)對象，種子是 0；
rnd.nextInt() % 256將會產(chǎn)生一個余數(shù)，余數(shù)的絕對值在 0 到 256 之間，包括 0，不包括 256，可能是負(fù)數(shù)；使用余數(shù)對數(shù)組進(jìn)行填充。使用
Arrays.sort()進(jìn)行排序。通過 for 循環(huán)嵌套計算數(shù)組累加后的結(jié)果，并通過
System.nanoTime()計算前后的時間差，精確到納秒級。
我本機(jī)的環(huán)境是 Mac OS，內(nèi)存 16 GB，CPU ?Intel Core i7，IDE 用的是 IntelliJ IDEA，排序后和未排序后的結(jié)果如下：
排序后：2.811633398
未排序：9.41434346
時間差還是很明顯的，對吧？未排序的時候，等待結(jié)果的時候讓我有一種擔(dān)心：什么時候結(jié)束?。坎粫Y(jié)束不了吧？
讀者朋友們有沒有玩過火炬之光??？一款非常經(jīng)典的單機(jī)游戲，每一個場景都有一副地圖，地圖上有很多分支，但只有一個分支可以通往下一關(guān)；在沒有刷圖之前，地圖是模糊的，玩家并不知道哪一條分支是正確的。
如果僥幸跑的是一條正確的分支，那么很快就能到達(dá)下一關(guān)；否則就要往回跑，尋找正確的那條分支，需要花費(fèi)更多的時間，但同時也會收獲更多的經(jīng)驗和聲望。
作為一名玩過火炬之光很久的老玩家，幾乎每一幅地圖我都刷過很多次，刷的次數(shù)多了，地圖差不多就刻進(jìn)了我的腦袋，即便是一開始地圖是模糊的，我也能憑借經(jīng)驗和直覺找到最正確的那條分支，就省了很多折返跑的時間。
讀者朋友們應(yīng)該注意到了，上面的代碼中有一個 if 分支——if (data[c] >= 128)，也就是說，如果數(shù)組中的值大于等于 128，則對其進(jìn)行累加，否則跳過。
那這個代碼中的分支就好像火炬之光中的地圖分支，如果處理器能夠像我一樣提前預(yù)判，那累加的操作就會快很多，對吧？
處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)我是不懂的，但它應(yīng)該和我的大腦是類似的，遇到 if 分支的時候也需要停下來，猜一猜，到底要不要繼續(xù)，如果每次都猜對，那顯然就不需要折返跑，浪費(fèi)時間。
這就是傳說中的分支預(yù)測！
我需要刷很多次圖才能正確地預(yù)測地圖上的路線，處理器需要排序才能提高判斷的準(zhǔn)確率。
計算機(jī)發(fā)展了這么多年，已經(jīng)變得非常非常聰明，對于條件的預(yù)測通常能達(dá)到 90% 以上的命中率。但是，如果分支是不可預(yù)測的，那處理器也無能為力啊，對不對？
排序后花費(fèi)的時間少，未排序花費(fèi)的時間多，罪魁禍?zhǔn)拙驮?if 語句上。
if?(data[c]?>=?128)?{
????sum?+=?data[c];
}
數(shù)組中的值是均勻分布的（-255 到 255 之間），至于是怎么均勻分布的，我們暫且不管，反正由 Random 類負(fù)責(zé)。
為了方便講解，我們暫時忽略掉負(fù)數(shù)的那一部分，從 0 到 255 說起。
來看經(jīng)過排序后的數(shù)據(jù)：
data[]?=?0,?1,?2,?3,?4,?...?126,?127,?128,?129,?130,?...?250,?251,?252,?...
branch?=?N??N??N??N??N??...???N????N????T????T????T??...???T????T????T??...
???????=?NNNNNNNNNNNN?...?NNNNNNNTTTTTTTTT?...?TTTTTTTTTT
N 是小于 128 的，將會被 if 條件過濾掉；T 是將要累加到 sum 中的值。
再來看未排序的數(shù)據(jù)：
data[]?=?226,?185,?125,?158,?198,?144,?217,?79,?202,?118,??14,?150,?177,?182,?133,?...
branch?=???T,???T,???N,???T,???T,???T,???T,??N,???T,???N,???N,???T,???T,???T,???N??...
???????=?TTNTTTTNTNNTTTN?...???
完全沒有辦法預(yù)測。
對比過后，就能發(fā)現(xiàn)，排序后的數(shù)據(jù)在遇到分支預(yù)測的時候，能夠輕松地過濾掉 50% 的數(shù)據(jù)，對吧？是有規(guī)律可循的。
那假如說不想排序，又想節(jié)省時間，有沒有辦法呢？
如果你直接問我的話，我肯定毫無辦法，兩手一攤，一副無奈臉。不過，Stack Overflow 以上帝視角給出了答案。
把：
if?(data[c]?>=?128)?{
????sum?+=?data[c];
}
更換為：
int?t?=?(data[c]?-?128)?>>?31;
sum?+=?~t?&?data[c];
通過位運(yùn)算消除了 if 分支（并不完全等同），但我測試了一下，計算后的 sum 結(jié)果是相同的。
/**
?*?@author?沉默王二，一枚有趣的程序員
?*/
public?class?SortArrayFasterDemo?{
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????//?聲明數(shù)組
????????int?arraySize?=?32768;
????????int?data[]?=?new?int[arraySize];
????????Random?rnd?=?new?Random();
????????for?(int?c?=?0;?c?????????????data[c]?=?rnd.nextInt()?%?256;
????????}
????????//?測試
????????long?start?=?System.nanoTime();
????????long?sum?=?0;
????????for?(int?i?=?0;?i?100000;?++i)
????????{
????????????//?循環(huán)
????????????for?(int?c?=?0;?c?????????????{
????????????????if?(data[c]?>=?128)?{
????????????????????sum?+=?data[c];
????????????????}
????????????}
????????}
????????System.out.println((System.nanoTime()?-?start)?/?1000000000.0);
????????System.out.println("sum?=?"?+?sum);
????????//?測試
????????long?start1?=?System.nanoTime();
????????long?sum1?=?0;
????????for?(int?i?=?0;?i?100000;?++i)
????????{
????????????//?循環(huán)
????????????for?(int?c?=?0;?c?????????????{
????????????????int?t?=?(data[c]?-?128)?>>?31;
????????????????sum1?+=?~t?&?data[c];
????????????}
????????}
????????System.out.println((System.nanoTime()?-?start1)?/?1000000000.0);
????????System.out.println("sum1?=?"?+?sum1);
????}
}
輸出結(jié)果如下所示：
8.734795196
sum?=?156871800000
1.596423307
sum1?=?156871800000
數(shù)組累加后的結(jié)果是相同的，但時間上仍然差得非常多，這說明時間確實耗在分支預(yù)測上——如果數(shù)組沒有排序的話。
最后，不得不說一句，大神級程序員不愧是大神級程序員，懂得位運(yùn)算的程序員就是屌。
建議還在讀大學(xué)的讀者朋友多讀一讀《計算機(jī)操作系統(tǒng)原理》這種涉及到底層的書，對成為一名優(yōu)秀的程序員很有幫助。畢竟大學(xué)期間，學(xué)習(xí)時間充分，社會壓力小，能夠做到心無旁騖，加油！
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