[不專業研究]for、while、goto效能評比

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我們常常聽說goto是一把雙面刃，它可以在程式碼中像任意門一樣穿梭自如，但是卻破壞了程式碼的結構與可讀性。

但是，goto的優點只有跳躍而已嗎？

本文將設計針對for、while、goto的效能做比較的實驗，探討goto是否能對程式碼的效能進行優化。

測試環境：
程式語言：C++
作業系統：Windows7
CPU：Intel i5-3470
使用IDE及編譯器：Visual Studio 2019
平台模式：64位元，debug模式(無最佳化)

以下是實驗程式碼：

 unsigned int length = 1024 * 1024 * 1024 * 10;

     int length2 = 1024 * 1024 * 1024;

     int key = 0;

std::cout << "一層迴圈\n";

     i = 0;

     clock.restart();

     for (i = 0;i < length;i++)

     {

          key = i;

     }

     std::cout << "for的時間為" << clock.GetTime() << "毫秒\n";

     i = 0;

     clock.restart();

     while (i < length)

     {

          key = i;

          i++;

     }

     std::cout << "while的時間為" << clock.GetTime() << "毫秒\n";

     i = 0;

     clock.restart();

flag0:

     key = i;

     i++;

     if (i < length) goto flag0;

     std::cout << "goto的時間為" << clock.GetTime() << "毫秒\n";

     std::cout << "二層迴圈\n";

     i = 0;

     j = 0;

     clock.restart();

     for (j = 0;j < 10;j++) {

          for (i = 0;i < length2;i++)

          {

                key = i;

          }

     }

     std::cout << "for的時間為" << clock.GetTime() << "毫秒\n";

     j = 0;

     i = 0;

     clock.restart();

     while (j < 10) {

          i = 0;

          while (i < length2)

          {

                key = i;

                i++;

          }

          j++;

     }

     std::cout << "while的時間為" << clock.GetTime() << "毫秒\n";

     i = 0;

     j = 0;

     clock.restart();

flag:

     i = 0;

flag2:

     key = i;

     i++;

     if (i < length2) goto flag2;

     j++;

     if (j < 10) goto flag;

     std::cout << "goto的時間為" << clock.GetTime() << "毫秒\n";

我們分別利用單層迴圈和雙層迴圈測試for、while、goto的效能。

首先，定義了一個 unsigned int的變數length，大小為1024 * 1024 * 1024 * 10。

然後分別設計for、while、goto的單層迴圈去運行它，次數為length。

然後，定義了一個  int的變數length2，大小為1024 * 1024 * 1024。

然後分別設計for、while、goto的雙層迴圈去運行它，次數為10*length2。

所以，單層迴圈和雙層迴圈運轉的次數是一樣的。

最後，我們在迴圈中加入了key=i，模擬實際迴圈中常見的狀況。

測試結果：

在一層迴圈中，for的效能最差，花費時間為4627毫秒，次之則為while，為4426毫秒，令人驚訝的是，goto的效能竟然最高，僅花費了4402毫秒。

然而，進入第二階段的雙層迴圈試驗，原本趨於劣勢的for迴圈竟逆轉局勢並驚險的勝出，花費了22026毫秒，而goto在這場比賽則敬陪末座，總花費時間為22119毫秒。

但是，真的只差了一點點，我們再重跑一次程式：

在第二次，在一層迴圈中，一樣是由goto勝出，但是呢，在雙層迴圈中，goto再次贏過for和while拿下勝利，總花費時間為22018毫秒，while則敬陪末座。

可見在第二層迴圈中，三者的速度是差不多的。

但是，如何讓goto在雙層迴圈中發揮它在單層迴圈的優勢呢？

我們再做個實驗

     unsigned int length = 1024 * 1024 * 1024 * 10;

     int length2 = 1024 * 1024 * 1024;

     int key = 0;

     i = 0;

     j = 0;

     clock.restart();

     for (j = 0;j < 10;j++) {

          for (i = 0;i < length2;i++)

          {

                key = i;

          }

     }

     std::cout << "for+for的時間為" << clock.GetTime() << "毫秒\n";

     i = 0;

     j = 0;

     clock.restart();

     for (j = 0;j < 10;j++)

     {

          i = 0;

     flag1:

          i++;

          key = i;

          if (i < length2)goto flag1;

     }

     std::cout << "for+goto的時間為" << clock.GetTime() << "毫秒\n";

     i = 0;

     j = 0;

     clock.restart();

flag3:

     i = 0;

     for (i = 0;i < length2;i++)

     {

          key = i;

     }

     j++;

     if (j < 10) goto flag3;

     std::cout << "goto+for的時間為" << clock.GetTime() << "毫秒\n";

在這一次，我們分別使用雙層for迴圈、外圈為for內圈為goto、外圈為goto內圈為for，來做測試，跑的次數跟上一次的實驗一樣。

測試結果：

果不其然，讓goto在內層迴圈，效能上會有顯著優勢，而放在外層則不具有優勢。

為了防止運氣問題，我們再讓程式跑一次：

一樣的，for+goto再度以19074毫秒壓倒性的勝出，for+for最差，為22196毫秒，goto+for則為22123毫秒

結論：

在單層迴圈中，goto在效能上會比for和while來的有優勢，而在雙層迴圈中，goto在內層迴圈中依然可以為效能帶來貢獻。

這次的for、while、goto不專業效能評比就到這邊結束了，如果有其他點子想測試的，歡迎留言一起來做討論，我們下次見囉！