Ngôn ngữ lập trình Rust

So sánh Hiệu suất: Vòng lặp và Iterator

Để quyết định nên sử dụng vòng lặp hay iterator, bạn cần biết triển khai nào nhanh hơn: phiên bản của hàm search với vòng lặp for rõ ràng hay phiên bản với iterator.

Chúng tôi đã chạy một bài kiểm tra hiệu suất bằng cách tải toàn bộ nội dung của The Adventures of Sherlock Holmes của Sir Arthur Conan Doyle vào một String và tìm kiếm từ the trong nội dung. Dưới đây là kết quả kiểm tra hiệu suất trên phiên bản search sử dụng vòng lặp for và phiên bản sử dụng iterator:

test bench_search_for  ... bench:  19,620,300 ns/iter (+/- 915,700)
test bench_search_iter ... bench:  19,234,900 ns/iter (+/- 657,200)

Hai triển khai có hiệu suất tương tự! Chúng tôi sẽ không giải thích mã kiểm tra hiệu suất ở đây, bởi vì điểm quan trọng không phải để chứng minh rằng hai phiên bản là tương đương mà để có cảm nhận chung về cách hai triển khai này so sánh về mặt hiệu suất.

Để có một bài kiểm tra hiệu suất toàn diện hơn, bạn nên kiểm tra sử dụng các văn bản khác nhau với kích thước khác nhau làm contents, các từ khác nhau và các từ có độ dài khác nhau làm query, và tất cả các biến thể khác. Điểm quan trọng là: iterator, mặc dù là một trừu tượng cấp cao, được biên dịch thành mã gần giống như khi bạn tự viết mã cấp thấp. Iterator là một trong những trừu tượng không tốn chi phí của Rust, nghĩa là việc sử dụng trừu tượng không áp đặt thêm chi phí thời gian chạy. Điều này tương tự như cách Bjarne Stroustrup, nhà thiết kế và người triển khai ban đầu của C++, định nghĩa không tốn chi phí trong "Foundations of C++" (2012):

Nói chung, các triển khai C++ tuân theo nguyên tắc không tốn chi phí: Những gì bạn không sử dụng, bạn không phải trả giá. Và hơn nữa: Những gì bạn sử dụng, bạn không thể tự viết mã tốt hơn được.

Một ví dụ khác, đoạn mã sau được lấy từ một bộ giải mã âm thanh. Thuật toán giải mã sử dụng phép toán dự đoán tuyến tính để ước tính các giá trị tương lai dựa trên một hàm tuyến tính của các mẫu trước đó. Mã này sử dụng một chuỗi iterator để thực hiện một số phép toán trên ba biến trong phạm vi: một slice dữ liệu buffer, một mảng 12 coefficients, và một lượng để dịch chuyển dữ liệu trong qlp_shift. Chúng tôi đã khai báo các biến trong ví dụ này nhưng không gán giá trị cho chúng; mặc dù mã này không có nhiều ý nghĩa ngoài ngữ cảnh của nó, nó vẫn là một ví dụ ngắn gọn, thực tế về cách Rust chuyển đổi ý tưởng cấp cao thành mã cấp thấp.

let buffer: &mut [i32];
let coefficients: [i64; 12];
let qlp_shift: i16;

for i in 12..buffer.len() {
    let prediction = coefficients.iter()
                                 .zip(&buffer[i - 12..i])
                                 .map(|(&c, &s)| c * s as i64)
                                 .sum::<i64>() >> qlp_shift;
    let delta = buffer[i];
    buffer[i] = prediction as i32 + delta;
}

Để tính toán giá trị của prediction, mã này lặp qua mỗi trong 12 giá trị trong coefficients và sử dụng phương thức zip để ghép cặp các giá trị hệ số với 12 giá trị trước đó trong buffer. Sau đó, với mỗi cặp, chúng ta nhân các giá trị với nhau, tổng hợp tất cả các kết quả, và dịch chuyển các bit trong tổng qlp_shift bit sang phải.

Các phép tính trong ứng dụng như bộ giải mã âm thanh thường ưu tiên hiệu suất cao nhất. Ở đây, chúng ta đang tạo một iterator, sử dụng hai bộ điều hợp, và sau đó tiêu thụ giá trị. Mã assembly nào mà mã Rust này sẽ được biên dịch thành? Vào thời điểm viết bài này, nó được biên dịch thành cùng mã assembly mà bạn sẽ viết bằng tay. Không có vòng lặp nào tương ứng với việc lặp qua các giá trị trong coefficients: Rust biết rằng có 12 lần lặp, vì vậy nó "mở rộng" vòng lặp. Mở rộng vòng lặp là một tối ưu hóa loại bỏ chi phí của mã điều khiển vòng lặp và thay vào đó tạo ra mã lặp lại cho mỗi lần lặp của vòng lặp.

Tất cả các hệ số được lưu trữ trong các thanh ghi, điều này có nghĩa là việc truy cập các giá trị rất nhanh. Không có kiểm tra giới hạn nào trên truy cập mảng trong thời gian chạy. Tất cả các tối ưu hóa mà Rust có thể áp dụng làm cho mã kết quả cực kỳ hiệu quả. Bây giờ bạn đã biết điều này, bạn có thể sử dụng iterator và closure mà không sợ hãi! Chúng làm cho mã có vẻ như ở cấp độ cao hơn nhưng không áp đặt hình phạt hiệu suất thời gian chạy khi làm như vậy.

Tóm tắt

Closure và iterator là các tính năng của Rust lấy cảm hứng từ ý tưởng ngôn ngữ lập trình hàm. Chúng đóng góp vào khả năng của Rust trong việc biểu đạt rõ ràng các ý tưởng cấp cao với hiệu suất cấp thấp. Các triển khai của closure và iterator là như vậy để hiệu suất thời gian chạy không bị ảnh hưởng. Đây là một phần trong mục tiêu của Rust nhằm cung cấp các trừu tượng không tốn chi phí.

Bây giờ chúng ta đã cải thiện khả năng biểu đạt của dự án I/O của mình, hãy xem xét một số tính năng khác của cargo sẽ giúp chúng ta chia sẻ dự án với thế giới.