为什么处理一个排好序的数组比未排序的数组要快？

最新推荐文章于 2025-12-08 09:18:56 发布

原创最新推荐文章于 2025-12-08 09:18:56 发布 · 117 阅读

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#java #算法 #开发语言

文章通过一个Java代码示例展示了排序数组如何提高执行效率，这涉及到计算机的分支预测机制。当数组未排序时，CPU在执行if条件判断时预测分支的准确性降低，影响了执行速度。排序后，由于连续元素更可能有相似性质（如大于或小于某个值），CPU的分支预测成功率提高，从而加快了程序执行。

这是stack overflow上一个非常火热的问题：

为什么对数组排序能提高执行效率？先看下面的代码，执行分为：

生成随机数放入数组
对数组进行排序
对数组中的数字进行累加

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 生成随机数
        int arraySize = 32768;
        int data[] = new int[arraySize];

        Random rnd = new Random(0);
        for (int c = 0; c < arraySize; ++c)
            data[c] = rnd.nextInt() % 256;

        // 排序
        Arrays.sort(data);

        // 累加，测试执行时间
        long start = System.nanoTime();
        long sum = 0;
        for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
            for (int c = 0; c < arraySize; ++c) {
                if (data[c] >= 128)
                    sum += data[c];
            }
        }

        System.out.println((System.nanoTime() - start) / 1000000000.0);
        System.out.println("sum = " + sum);
    }
}
复制代码

排序后的执行时间：2.2350021s 未排序后的执行时间：6.385857s

可以发现：排序后的执行时间是未排序的执行时间的3倍。

为什么会这样，这就跟分支预测有关系，什么是分支预测呢？

计算机在执行某一条指令的过程中，会分为四个步骤：

每个步骤会有对应的电路组件负责。

假设现在有一段程序对应的计算机指令为：

那么计算机应该先执行指令1，然后根据指令1的结果看接下来应该执行哪条指令，假设接下来要执行的就是指令2，那指令流水线会是下图吗？

假设每个步骤要1毫秒，那执行完这两条指令就需要8毫秒，但是前面说过，指令的四个步骤是由特定的组件来执行的，所以其实可以这么执行：

在解码指令1的过程中，就可以读取指令2了，这样执行完两条指令只需要5毫秒，如果后续指令也按这个节奏执行，那么效率提升会很大，比如串行执行3条指令需要3*4=12毫秒，而并行执行3条指令只需要6毫秒，快了一倍了。

那这个跟分支预测有什么关系呢？

我们在来看

假如指令2是一条判断指令，根据判断结果，要么执行指令3，要么执行指令4。

如果不对判断结果进行预测，那么就只能等指令2执行完之后才知道接下来要执行哪条指令，那指令流水线就是下面这样：

执行这三条指令要9毫秒。

但是，如果在执行指令2之前，我们就能预测出指令2的判断结果，假如预测的是指令3，那么指令流水线就可以这样：

相当于在解码指令2的时候，就同时去读取指令3，如果执行完指令2后，发现判断结果和预测的结果是一致的，那么就可以直接把指令3的结果写回了，这样就大大提高效率，执行这3条指令只需要6毫秒。

当然如果执行完指令2后，发现预测错了，那么就不能把指令3的结果写回了，而是得读取并执行正确的指令。

以上就是分支预测，简单总结一下就是，计算机会对分支，比如判断指令的结果进行预测，从而提前去做一些事情，而不是等判断结果出来后才去做事情。

回到上面的Java代码：

for (int c = 0; c < arraySize; ++c) {
    if (data[c] >= 128)
        sum += data[c];
}
复制代码

if语句就相当于是一个判断指令，根据判断结果就会有两个分支：

要么进行累加
要么取数组中的下一个数字。

所以，当执行if语句时，计算机就可以进行预测:

比如预测当前判断的数字是大于128的，那么就可以在判断结果没有出来之前提前进行累加
或者预测当前判断的数字是小于128的，那么就可以在判断结果没有出来之前提前取下一个数字

只要预测对了，就能提高执行效率，所以，我们要做的就是尽可能让计算机能预测准确，这就是数组排序的作用。

比如计算机在执行指令过程中，发现连续10个数字都是大于128的，那么就可以预测接下来的一个数字也是大于128的，所以只要数组是排好序的，那么这个预测就是正确的，从而也就提高了执行效率。

以上，就是分支预测，不知道大家看明白没...

作者：Hoeller
链接：https://juejin.cn/post/7188781090986721339