Haskell State monad vs state 作为参数性能测试

Question

我开始学习 State Monad，一个想法困扰着我。我们可以将所有内容包装到状态 monad，而不是将累加器作为参数传递。

所以我想比较使用 State monad 与将其作为参数传递之间的性能。

所以我创建了两个函数：

sum1 :: Int -> [Int] -> Int
sum1 x [] = x
sum1 x (y:xs) =  sum1 (x + y) xs

和

sumState:: [Int] -> Int
sumState xs = execState (traverse f xs) 0
    where f n = modify (n+)

我在输入数组 [1..1000000000] 上比较了它们。

sumState 运行时间在15s左右
sum1 5s左右

我们可以看到明显的赢家，但我意识到 sumState 可以优化为：

我们可以使用严格版本的修改
我们不需要地图列表输出，所以我们可以使用traverse_代替

所以新的优化状态函数是：

sumState:: [Int] -> Int
sumState xs = execState (traverse_ f xs) 0
    where f n = modify' (n+)

运行时间大约为 350 毫秒。这是一个巨大的进步。太震撼了。

为什么修改后的sumState比sum1有更好的性能？ sum1 是否可以优化以匹配甚至优于 sumState？

我还尝试了 sum as

的其他不同实现

使用内置的 sum 函数，这给了我大约 240ms ((sum [1..x] ::Int))
使用严格的 foldl'，这在 240 毫秒左右给出了相同的结果（使用隐式 [Int] -> Int）

这是否意味着使用 foldl 函数或 State monad 传递累加器而不是将其作为参数传递给函数更好？

感谢您的帮助。

编辑：

每个函数都在单独的文件中，具有自己的主要函数，并使用“-O2”标志编译。

main = do
    x <- (read . head ) <$> getArgs
    print $ <particular sum function> [1..x]

运行时间是通过 linux.

上的 time 命令测得的

Answer 1

更多解释为什么 traverse 较慢：traverse f xs 具有类型 State [()] 并且构建了 [()]（单位元组列表）在求和期间上升。如果您不使用惰性状态，这会阻止进一步的优化并导致内存泄漏。

更新：我认为 GHC 应该能够注意到单元元组列表从未被使用过，所以我打开了 a GHC issue。

在这两种情况下，为了获得最佳性能，我们希望将求和与枚举 [1..x] 合并（或融合）到一个紧密的递归循环中，该循环简单地递增并相加，直到达到 x .生成的代码看起来像这样：

sumFromTo :: Int -> Int -> Int -> Int
sumFromTo s x y
  | x == y = s + x
  | otherwise = sumFromTo (s + x) (x + 1) y

这避免了对列表 [1..x] 的分配。

base 库使用 foldr/build 融合（也称为快捷方式融合）实现此优化。 sum、foldl' 和 traverse（对于列表）函数是使用 foldr 函数实现的，[1..x] 是使用 build 函数实现的。 foldr 和 build 函数具有特殊的优化规则，因此可以将它们融合。您的自定义 sum1 函数不使用 foldr，因此它永远不能以这种方式与 [1..x] 融合。

Answer 2

具有讽刺意味的是，困扰您实施 sumState 的同样问题也是 sum1 的问题。你没有严格的积累，所以你像这样建立thunks:

sum 0 [1, 2, 3]
sum (0 + 1) [2, 3]
sum ((0 + 1) + 2) [3]
sum (((0 + 1) + 2) + 3) []
(((0 + 1) + 2) + 3)
((1 + 2) + 3)
(3 + 3)
6

如果您对 sum1 添加严格性，您应该会看到效率的显着提高，因为您消除了 thunk (((0 + 1) + 2) + 3) 的非尾递归评估，这是 [= 的昂贵部分=12=]。使用严格累加使这更有效：

sum1 x [] = []
sum1 x (y : xs) = x `seq` sum1 (x + y) xs

应该可以为您提供与 sum 相当的性能（尽管如另一个答案所述，GHC 可能无法正确使用融合来为您提供列表中 sum 的真正神奇性能 [1..x]).

Haskell State monad vs state 作为参数性能测试

Haskell State monad vs state as parameter performance test

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