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Lua | 每日一練 (3)

題目

lua 中的 table 性能優化有哪些技巧？

參考答案

table 是 lua 的一種數據結構用來創建不同的數據類型，例如：數組、字典。table 的能力是非常強大的，但是如果在使用過程中不注意優化細節，可能會性能產生一定的影響。

下面針對使用 table 過程中的常見優化手段進行總結。

減少查找次數

在 lua 中，表查找（尤其是多重嵌套表的查找）可能會因為頻繁的鍵訪問而變得相對低效。例如：

local myTable = {nested = {value = 10}
}-- 低效：每次循環都進行表查找
for i = 1, 1000000 dolocal v = myTable.nested.value-- 使用 v 做一些操作
end

如果某個表的值在循環或其他頻繁執行的代碼塊中被多次訪問，可以將其緩存到局部變量中。這樣可以避免每次訪問時都進行表查找。

修改后的代碼如下所示：

local myTable = {nested = {value = 10}
}-- 高效：將值緩存到局部變量
local cachedValue = myTable.nested.value
for i = 1, 1000000 dolocal v = cachedValue-- 使用 v 做一些操作
end

另外如果需要頻繁的訪問某個表，可以鍵表本身緩存到局部變量中，這樣可以減少每次訪問時的查找路徑，例如：

local myTable = {nested = {value = 10}
}-- 低效：每次訪問都從根表開始查找
for i = 1, 1000000 dolocal v = myTable.nested.value-- 使用 v 做一些操作
end

修改后的代碼如下所示：

local myTable = {nested = {value = 10}
}-- 高效：緩存嵌套表的引用
local nestedTable = myTable.nested
for i = 1, 1000000 dolocal v = nestedTable.value-- 使用 v 做一些操作
end

預分配表空間

經常在循環中進行表分配，頻繁的表分配會增加垃圾回收的負擔，從而影響性能。

因為 lua 中的表分為數組部分和哈希部分，所以預分配表也分為兩部分：預分配數組部分、預分配哈希部分。

數組部分（連續整數索引）

如果表主要用于存儲連續的整數索引數據（類似數組），可以通過以下方式預分配空間：

local size = 100000  -- 預分配的大小
local t = {}
t[size] = true  -- 觸發預分配

通過將表的最后一個索引位置賦值，lua 會為表的數組部分分配足夠的空間，從而避免后續插入元素時的擴容操作。

哈希部分（非整數索引）

如果表主要用于存儲非整數索引（如字符串鍵），可以通過以下方式預分配哈希部分的空間：

local size = 100000  -- 預分配的大小
local t = {}
for i = 1, size dot["key" .. i] = true  -- 觸發哈希部分的預分配
end

減少嵌套深度

嵌套表的深度會影響查找效率。如果可能，盡量減少表的嵌套層級，或者將常用的數據提升到更淺的層級。例如：

-- 原始結構
local myTable = {level1 = {level2 = {value = 10}}
}-- 訪問優化前的表
local k = myTable.level1.level2.value-- 優化：減少嵌套層級
local myTable = {value = 10,level1 = {-- 其他數據}
}-- 訪問優化后的表
local v = myTable.value

避免表中存在非連續索引

由于表可以同時作為數組（連續索引）也可以作為哈希表（非連續索引），那么當表中同時存在連續索引和非連續索引時，可能會導致性能下降和內存浪費。

首先需要搞明白為什么存在非連續會影響性能？

• 第一，如果表中同時存在連續索引和非連續索引，lua 會同時維護這兩部分，導致內存分配和管理變得更加復雜，增加了內存開銷。
• 第二，對于連續索引的數組，lua 可以通過簡單的指針偏移快速訪問元素；而對于非連續索引，lua 需要進行哈希查找，這會增加訪問時間。
• 第三，非連續索引的表會增加垃圾回收的復雜性，因為 lua 需要同時處理數組部分和哈希部分的內存回收。

使用獨立的表

如果需要存儲不同類型的數據（數組和哈希表），建議使用兩個獨立的表，而不是混合在同一個表中。例如：

-- 混合使用
local t = {1, 2, 3}
t["key"] = "value"-- 使用兩個獨立的表
local array = {1, 2, 3}
local hash = {key = "value"}

避免稀疏數組

稀疏數組（即存在大量空隙的數組）會導致表的內部結構變得復雜。如果需要使用稀疏數組，建議使用哈希表代替。例如：

-- 稀疏數組
local t = {}
t[1] = 1
t[1000000] = 1000000  -- 導致表內部結構復雜化-- 使用緊湊的哈希表結構
local t = {}
t["key1"] = 1
t["key2"] = 1000000

清理表中的空隙，優化表的結構

如果表中存在非連續索引，可以通過重新排序或清理空隙來優化表的結構。例如：

local t = {1, 2, nil, 4, 5}
local new_t = {}
for i, v in ipairs(t) doif v ~= nil thentable.insert(new_t, v)end
end
t = new_t

常使用元表和元方法優化

元表和元方法可以用于優化面向對象的代碼，減少函數調用次數，并通過元方法實現高效的常見操作，例如：

local Vector = {}function Vector:new(x, y)local obj = {}setmetatable(obj, self)self.__index = selfself.__add = function(a, b)return Vector:new(a.x + b.x, a.y + b.y)endobj.x = xobj.y = yreturn obj
endlocal v1 = Vector:new(1, 2)
local v2 = Vector:new(3, 4)
local v3 = v1 + v2print(v3.x, v3.y)

減少垃圾回收的開銷

垃圾回收的頻率會影響性能。通過重用表、避免不必要的分配以及合理調整垃圾回收參數，可以減少垃圾回收的開銷。例如：

collectgarbage("setpause", 100)  -- 設置暫停時間
collectgarbage("setstepmul", 200)  -- 設置每次回收的步長

減少全局變量的使用

在 lua 中，全局變量的訪問速度比局部變量慢，因為 lua 需要遍歷全局環境來進行查找。局部變量則直接存儲在棧上，訪問速度更快。另外將表定義為局部變量，可以減少全局環境的污染，提高訪問速度。例如：

-- 全局表
myGlobalTable = {value = 10}function globalTableAccess()for i = 1, 1000000 dolocal v = myGlobalTable.valueend
end-- 局部表
local myLocalTable = {value = 10}function localTableAccess()for i = 1, 1000000 dolocal v = myLocalTable.valueend
end

本文中總結的優化點可能不全面，如果大家有更好的優化點，也可以同樣可以在評論區中分享出來~~ 期待😀

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