*** ВНИМАНИЕ: Блог переехал на другой адрес - demin.ws ***

четверг, 9 июня 2011 г.

Кто быстрее: string::find, strstr или КМП?

Я как-то пребывал в убеждении, что библиотечные функции поиска строки в подстроке обычно реализуют какой-нибудь "правильный" алгоритм: Кнута — Морриса — Пратта (КМП), например, или Бойера — Мура. Это было бы логично.

Ниже очередная пузомерка сферического коня в попугаях.

В забеге учавствуют:

  • std::string::find()
  • std::strstr()
  • рукодельный naive_strstr() со сложностью O(N^2)
  • рукодельный КМП (kmp_strstr()) без особых изысков

Данные для поиска сделаны в виде "наихудщего случая", когда сравнивать надо все до победного, и совпадение будет только с самом конце. Это должно вызвать явное квадратичное время у naive_strstr().

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstdlib>
#include <cstring>
#include <cassert>
#include <ctime>

int naive_strstr(const char* str, const char* needle) {
  int str_sz = std::strlen(str);
  int needle_sz = std::strlen(needle);
  for (int i = 0; i < str_sz - needle_sz + 1; ++i) {
    int j;
    for (j = 0; j < needle_sz; ++j)
      if (str[i + j] != needle[j])
        break;
    if (j == needle_sz)
      return i;
  }
  return -1;
}

int kmp_strstr(const char* str, const char* needle) {
  int str_sz = std::strlen(str);
  int needle_sz = std::strlen(needle);

  std::vector<int> prefix(needle_sz, 0);
  for (int i = 1; i < needle_sz; ++i) {
    int j = prefix[i - 1];
    while (j > 0 && needle[j] != needle[i])
      j = prefix[j - 1];
    if (needle[j] == needle[i])
      j += 1;
    prefix[i] = j;
  }

  int j = 0;
  for (int i = 0; i < str_sz; ++i) {
    while (j > 0 && needle[j] != str[i])
      j = prefix[j - 1];
    if (needle[j] == str[i])
      j += 1;
    if (j == needle_sz)
      return i - j + 1;
  }

  return -1;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
  int N = argc > 1 ? std::atoi(argv[1]) : 10*1000*1000;
  int M = argc > 2 ? std::atoi(argv[2]) : 1000;

  std::string str(N, 'a');
  std::string needle(M, 'a');

  // Our needle is the last M characters of the string.
  str[str.length() - 1] += 1;
  needle[needle.length() - 1] += 1;

  std::cout << "N = " << N << ", M = " << M << std::endl;

  size_t correct_position = str.length() - needle.length();
  std::cout << "Correct position: " << correct_position << std::endl;

  const char* str_p = str.c_str();
  assert(std::strlen(str_p) == str.length());

  const char* needle_p = needle.c_str();
  assert(std::strlen(needle_p) == needle.length());

  time_t started, duration;
  size_t i;

  started = std::time(0);
  i = str.find(needle);
  duration = std::time(0)- started;
  std::cout << "string::find(): " << i << ", time " << duration << std::endl;
  assert(i == correct_position);

  started = std::time(0);
  const char* p = std::strstr(str_p, needle_p);
  duration = std::time(0)- started;
  assert(p != NULL);
  i = p - str_p;
  std::cout << "strstr()      : " << i << ", time " << duration << std::endl;
  assert(i == correct_position);

  started = std::time(0);
  i = naive_strstr(str_p, needle_p);
  duration = std::time(0)- started;
  std::cout << "naive_strstr(): " << i << ", time " << duration << std::endl;
  assert(i == correct_position);

  started = std::time(0);
  i = kmp_strstr(str_p, needle_p);
  duration = std::time(0)- started;
  std::cout << "kmp_strstr()  : " << i << ", time " << duration << std::endl;
  assert(i == correct_position);

  return 0;
}

Makefile:

all:  do-32 do-64

target = strstr_find

do-32: build-32
    $(target)

do-64: build-64
    $(target)

do-build:
    "%VS100COMNTOOLS%..\..\VC\vcvarsall.bat" $(arch) && cl /O2 /EHsc $(target).cpp

build-32:
    $(MAKE) do-build arch=x86

build-64:
    $(MAKE) do-build arch=amd64

run:
    $(target)

clean:
    -del *.exe *.ilk *.obj *.pdb *.suo

Запускаем на Visual Studio 2010 32-bit:

N = 10000000, M = 1000
Correct position: 9999000
string::find(): 9999000, time 4
strstr()      : 9999000, time 8
naive_strstr(): 9999000, time 8
kmp_strstr()  : 9999000, time 0

Запускаем на Visual Studio 2010 64-bit и получаем странное ускорение у find() и замедление strstr() и naive_strstr():

N = 10000000, M = 1000
Correct position: 9999000
string::find(): 9999000, time 1
strstr()      : 9999000, time 16
naive_strstr(): 9999000, time 10
kmp_strstr()  : 9999000, time 0

КМП в обоих случаях работает быстро.

Конечно, тут есть много тонкостей. При различных данных в среднем strstr() может реально обгонять мою реализацию КМП, так как strstr() все-таки написана на ассемблере, и накладные расходы в КМП могут съесть всего его преимущества, но вот если данные всегда будут "плохими", то без КМП не обойдить.

И еще. Так как КМП требует дополнительную память порядка длины искомой строки, то подобное осложнение может не годиться для библиотечной функции широкого применения. Может поэтому strstr() и string::find() и работают "в лоб".

Одно не понятно - почему string::find() быстрее strstr()? Может из-за тотального inline'а.

Комментариев нет:

Отправить комментарий