二维数组按行和按列遍历的效率

探讨了在C语言中,二维数组按行遍历相较于按列遍历的效率优势,涉及CPU高速缓存原理及数据访问模式对性能的影响。

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按行遍历的效率大概是是按列遍历的0.5倍

   在c语言中,数组在内存中是按行存储的,按行遍历时可以由指向数组第一个数的指针一直向后遍历,由于二维数组的内存地址是连续的,当前行的尾与下一行的头相邻,所以可以直接到下一行

我们眼中的二维数组:

在这里插入图片描述

内存中的二维数组:

在这里插入图片描述

按行遍历比按列遍历的效率高体现在这些方面:

   1. CPU高速缓存:在计算机系统中,CPU高速缓存(英语:CPU Cache,在本文中简称缓存)是用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层,仅次于CPU寄存器。其容量远小于内存,但速度却可以接近处理器的频率。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. 缓存从内存中抓取一般都是整个数据块,所以它的物理内存是连续的,几乎都是同行不同列的,而如果内循环以列的方式进行遍历的话,将会使整个缓存块无法被利用,而不得不从内存中读取数据,而从内存读取速度是远远小于从缓存中读取数据的。随着数组元素越来越多,按列读取速度也会越来越慢。

可以用以下代码自行测试:
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <ctime>
using namespace std;
int main()
{
	const int MAX_ROW = 2000;
	const int MAX_COL = 2000;
	int(*a)[MAX_COL] = new int[MAX_ROW][MAX_COL];
	clock_t start, finish;

	//先行后列
	start = clock();
	for (int i = 0; i<MAX_ROW; i++)
	for (int j = 0; j<MAX_COL; j++)
		a[i][j] = 1;
	finish = clock();
	//totaltime=(double)()/CLOCKS_PER_SEC;
	cout << "先行后列遍历时间为:" << finish - start << "ms" << endl;
	//先列后行
	start = clock();
	for (int i = 0; i<MAX_COL; i++)
	for (int j = 0; j<MAX_ROW; j++)
		a[j][i] = 1;
	finish = clock();
	//totaltime=(double)()/CLOCKS_PER_SEC;
	cout << "先列后行遍历时间为:" << finish - start << "ms" << endl;

	return 0;
}
### 如何按遍历或操作 m n 二维数组 在 C 语言中,二维数组是以优先的方式存储在内存中的。这意味着每一的数据是连续存储的,而不同之间也是依次排的。因此,在大多数情况下,按照优先的方式来遍历二维数组会更加高效。 以下是实现按遍历并处理 `m` `n` 二维数组的具体方法: #### 方法描述 通过嵌套循环结构来完成对二维数组的操作。外层循环控制号(从第 0 到第 `m-1` ),内层循环负责逐访问该中的每一个元素(从第 0 到第 `n-1` )。这种设计充分利用了缓存局部性原理,从而提高了程序运效率[^3]。 下面给出一段示例代码展示如何按读取以及打印出所有的数值: ```c #include <stdio.h> void traverse_and_process(int array[][3], int rows, int cols){ for (int i = 0; i < rows; ++i){ // Iterate over each row. printf("Row %d:", i); for (int j = 0; j < cols; ++j){ // Access elements within the current row. printf(" %d", array[i][j]); } putchar('\n'); } } int main(){ const int M=2,N=3; int myArray[M][N]={ {1,2,3}, {4,5,6} }; traverse_and_process(myArray,M,N); return 0; } ``` 此段代码定义了一个名为 `traverse_and_process` 的函数用来接收一个固定大小为 `[rows][cols]` 的整型二维数组作为参数,并对其进举显示。注意这里假设第二维度长度已知以便简化语法;如果实际应用中不确定具体尺寸,则需采用动态分配或者传递额外信息指示每的实际宽度[^1]。 对于大规模矩阵而言,相较于其他方式比如先扫描模式(`for(j...)for(i..)`),上述基于优序的方法通常展现出更佳性能表现因为其遵循CPU高速缓冲机制的工作特性——即倾向于重复利用最近加载过的数据项而非频繁跳转至远距离位置获取新资料[^4]。
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