【底层原理】程序局部性原理介绍

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码农有道 2020-11-19 12:25:22 ©著作权

文章标签 java 文章分类 Java 后端开发

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什么是局部性原理

一个优秀的程序、优美的代码，往往具有良好的局部性。那么什么是程序的局部性原理呢？

程序局部性原理：是指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域，具体来说，局部性通常有两种形式：时间局部性和空间局部性。

时间局部性：被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用（通常在循环中）。

空间局部性：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。这样说过于理论了些，例子是最好说明问题的途径,看下面一段代码：

//求数组元素之和，v为数组名，n为数组大小，
int sum(int *v, int n)
{
    int i = 0;
    int sum = 0;
    for (i=0; i<n; ++i)
    {
        sum+=v[i];
    }
    return sum;
}

我们知道，数组的特点是在内存中是向下图一样连续存放的。根据代码以及局部性定义可知：

对于循环中的sum变量：有良好的时间局部性。因为在for循环结束之前，每次执行循环体都有对 sum 的访问。而 sum 没有空间局部性。因为sum 是标量（也就是说通过 sum 这个地址只能得到一个值）

对于循环体中的 v 变量：有良好的空间局部性。因为数组v是按顺序存放在内存中，每次访问 v[i]总是在 v[i-1] 的下一个位置。而v没有时间局部性，因为在循环体中，每个元素v[i]只会被访问一次。

局部性对程序效率的影响

我们再来看看一个遍历二维数组的例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int a[500][500];

//先访问行
void fun_1()
{    
    int i,j;    
  
    for(i=0; i<500; i++)    
    {for(j=0; j<500; j++){    a[i][j]=i;}    
    }
}

//先访问列
void fun_2()
{    
    int i,j;  
    
    for(j=0; j<500; j++)    
    {for(i=0; i<500; i++){    a[i][j]=i;}    
    }
}

int main()
{    
    clock_t start, finish;    
    double  duration;    
    start = clock();    
    fun_1();    
    finish = clock();  
    duration = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC;    
    printf( "fun_1:  %f seconds", duration);  

         start = clock();    
        fun_2();    
        finish = clock();    
        duration = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC;    
        printf( "fun_2:  %f seconds", duration) ;    

        return 0;
}

bogon:dataStructure lizhong$ ./test
fun_1:  0.000624 seconds
fun_2:  0.001193 seconds

上面的例子，fun_1和fun_2都是对一个二维数组进行遍历赋值。在fun_1函数的for循环体中，是以行序为主序对元素进行遍历。也就是说内层循环先访问第一行的元素，然后第二行......，而二维数组在存储器中也是按照行序为主序来进行存储的。也就是说先存储第一行，然后第二行......，如下图所示。本例中存储顺序和访问顺序一致。所以可以该程序对a[][]的引用有良好的空间局部性。

而fun_2函数只是在fun_1的基础上将求和函数中的双重循环的索引i和j调换一下位置，也就是说在对a[][]进行遍历的时候，以列序为主序。即先访问第一列，在访问第二列......，而前面讲了二维数组在存储器中也是按照行序为主序来进行存储；意味着每访问一个元素，就要跳过N个元素才能访问下一个。这种情况下没有良好的空间局部性。