Arsnova
Arsnova's Blog
Wir müssen wissen, Wir werden wissen.

AOS和SOA数据结构比较

~

概述

AOS(Array of Structures)和SOA(Structure of Arrays)是两种常见的数据结构布局方式，在性能优化特别是GPU编程中有着重要应用。

1. AOS (Array of Structures)

AOS将数据组织为结构体数组，每个结构体包含所有相关属性。

struct Particle {
    float position[3];
    float velocity[3];
    float mass;
};

Particle particles[1000]; // AOS布局

2. SOA (Structure of Arrays)

SOA将数据组织为多个并行数组，每个数组存储一个特定属性。

struct Particles {
    float positions[1000][3];
    float velocities[1000][3];
    float masses[1000];
};

Particles particles; // SOA布局

内存布局对比

AOS内存布局

[Particle1.position][Particle1.velocity][Particle1.mass]
[Particle2.position][Particle2.velocity][Particle2.mass]
...

SOA内存布局

[Particle1.position][Particle2.position]...[ParticleN.position]
[Particle1.velocity][Particle2.velocity]...[ParticleN.velocity]
[Particle1.mass][Particle2.mass]...[ParticleN.mass]

性能分析

特性 AOS SOA
缓存利用率 低(访问单个属性时) 高(连续访问同属性)
SIMD友好度 低 高
随机访问 好(所有属性集中) 较差(需要多个数组访问)
代码可读性 高(逻辑相关数据在一起) 较低

适用场景

适合AOS的场景

  1. 需要频繁随机访问单个元素的所有属性
  2. 数据结构简单且属性数量少
  3. 更注重代码可读性和维护性

适合SOA的场景

  1. 需要批量处理大量数据的单一属性
  2. GPU计算和SIMD优化
  3. 内存带宽受限的应用

混合方案(AOSOA)

在实际应用中，可以采用混合方案(AOSOA)，即在较大块中使用SOA，在块内使用AOS。

struct ParticleBlock {
    float positions[32][3];
    float velocities[32][3];
    float masses[32];
};

ParticleBlock blocks[32]; // 32个块，每块32个粒子

代码示例：粒子系统更新

AOS实现

void updateParticles(Particle* particles, int count) {
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        particles[i].position[0] += particles[i].velocity[0];
        particles[i].position[1] += particles[i].velocity[1];
        particles[i].position[2] += particles[i].velocity[2];
    }
}

SOA实现

void updateParticles(float positions[][3], 
                    float velocities[][3], 
                    int count) {
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        positions[i][0] += velocities[i][0];
        positions[i][1] += velocities[i][1];
        positions[i][2] += velocities[i][2];
    }
}

性能测试建议

  1. 测试不同数据规模下的性能差异
  2. 比较在CPU和GPU上的表现
  3. 测试不同访问模式(顺序vs随机)下的性能
  4. 考虑缓存行大小的影响

Table of Contents