為什麼陣列查詢的效率優於連結串列

摘要： 一個常見的程式設計問題： 遍歷同樣大小的陣列和連結串列， 哪個比較快？ 如果按照大學教科書上的演算法分析方法，你會得出結論，這2者一樣快， 因為時間複雜度都是 O(n)。 但是在實踐中， 這2者卻有極大的差異。通過下面的分析你會發現， 其實陣列比連結串列要快很多。 ...

一個常見的程式設計問題： 遍歷同樣大小的陣列和連結串列， 哪個比較快？ 如果按照大學教科書上的演算法分析方法，你會得出結論，這2者一樣快， 因為時間複雜度都是 O(n)。 但是在實踐中， 這2者卻有極大的差異。通過下面的分析你會發現， 其實陣列比連結串列要快很多。

首先介紹一個概念：memory hierarchy （儲存層次結構），電腦中存在多種不同的儲存器，如下表

• CPU 暫存器 – immediate access (0-1個CPU時鐘週期)
• CPU L1 快取– fast access (3個CPU時鐘週期)
• CPU L2 快取 – slightly slower access (10個CPU時鐘週期)
• 記憶體 (RAM)– slow access (100個CPU時鐘週期)
• 硬碟 (file system) – very slow (10,000,000個CPU時鐘週期)

各級別的儲存器速度差異非常大，CPU暫存器速度是記憶體速度的100倍！ 這就是為什麼CPU產商發明了CPU快取。 而這個CPU快取，就是陣列和連結串列的區別的關鍵所在。

CPU快取會把一片連續的記憶體空間讀入， 因為陣列結構是連續的記憶體地址，所以陣列全部或者部分元素被連續存在CPU快取裡面， 平均讀取每個元素的時間只要3個CPU時鐘週期。而連結串列的節點是分散在堆空間裡面的，這時候CPU快取幫不上忙，只能是去讀取記憶體，平均讀取時間需要100個CPU時鐘週期。 這樣算下來，陣列訪問的速度比連結串列快33倍！ （這裡只是介紹概念，具體的數字因CPU而異）

因此，程式中儘量使用連續的資料結構，這樣可以充分發揮CPU快取的威力。