0.033秒的艺术 --- 二叉树遍历

0.033秒的艺术 --- 二叉树遍历

仅供个人学习使用，请勿转载，勿用于任何商业用途。

       最近在写一些关于树的操作，显然最常见的树操作就是遍历所有节点，而遍历节点，最常见的算法自然是递归。下面是最初的二叉树实现和遍历:

public class Node
{
    public Node left;
    public Node right;
    public int someData;
}

public static void TreeTraversal(Node root)
{
    processNode(root);
    if (root.left != null)
        TreeTraversal(root.left);
    if (root.right != null)
        TreeTraversal(root.right);
}

    老实说，我觉得这样的实现很简洁，而且性能也不错，循环1000次遍历一棵高度为8的完全满二叉树（255个节点），大约0.0015秒。不过作为程序员，我们总想让代码跑的更快，所以来看看还可以对上面的代码做什么优化。

     首先，可以改用数组来实现二叉树，节约2个指针的开销，遍历树的算法也可以简化为遍历数组。可惜我还需要处理一些包含n个可变节点数的树型结构，所以这样的优化似乎没有通用性。看来只能对遍历算法进行改进了。虽然几乎所有关于数据结构的书里都会用计算阶乘来演示递归，代码大全里却指出用递归实现阶乘其实是最低效的算法：大量函数调用会带来性能损耗，而且无法预期运行期间的内存实用状况。Real-time collision detectiong也指出手动建栈遍历树要比递归高效。下面是修改之后的遍历代码：

public static void TreeTraversal(Node root)
{
    Node current = root;
    Stack<Node> stack = new Stack<Node>();
    while (true)
    {
        if (current != null)
        {
            ProcessNode(current);
            stack.Push(current.right);
            current = current.left;
            continue;
        }

        if (stack.Count < 1)
            break;

        current = stack.Peek();
        stack.Pop();
    }
}

        虽然比递归版本要复杂一些，不过不再有大量函数调用，那么性能如何呢？还记得以前说过永远不要在测试之前下结论吗，结果大大出乎我的意料，测试结果：非递归版本居然要比递归版本慢3～5倍！！我最先认为，就算非递归版本慢，差距也不会很大。问题出在哪里呢？上面的函数每次调用都会创建新的stack对象，循环1000次，就产生了1000个垃圾对象。我把stack移动到了函数外，作为静态变量，再次测试，结果还是令人失望，没有任何性能提升。用CLRProfile测试性能，发现在节点数为4000左右时，stack居然分配了5mb内存，而4000个节点的实际内存消耗只有几百k左右。这也许是因为stack内部用array来保存变量，每次当元素数量超过数组大小时，需要重新分配一个更大新数据，并且拷贝数据，以满足需要。是这个原因拖慢了程序的运行速度吗？创建时显式为stack 分配了足够大的空间，再用CLRProfile查看，这次stack的内存占用正确了，可惜性能还是没有提升。
        内存分配上应该没问题了，于是改用DotTrace查看究竟是哪一部操作耗费了如此多时间：

        终于找到瓶颈了，整个程序居然有近60%的时间都耗费在了stack操作，再次出乎我的意料，没想到.net的stack居然这么慢！

        当然，还可以用unsafe code重新实现stack，来看到底非递归版本是否会有性能提升。由于正在开发的是类库，所以我希望尽量不使用unsafe code，而且最初的版本似乎已经可以满足需求。

       至此，我对遍历的优化完全失败了-_- #，但如果不做测试，又如何知道哪种方法才是最好的呢，至少我们知道了.net里的stack非常糟糕:)