【C#性能】C# 语言中的数组迭代

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【C#性能】C# 语言中的数组迭代。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

一、说明

        可迭代性,是数组等操作的根本;在C++程序开发过程中,可迭代操作是非常普遍、非常广泛的,然而,对这种操作知道多少,又不知道多少,都将影响开发灵活性、开发的进度。因此,本文干脆系统地全部列举这种应用,以便在使用时查阅。

二、从简单示例入手

        实现数组中项的总和非常简单。我认为大多数开发人员会以这种方式实现它:

static int Sum(int[] array)
{
    var sum = 0;
    for (var index = 0; index < array.Length; index++)
        sum += array[index];
    return sum;
}

        C# 中实际上有一个更简单的替代方法:

static int Sum(int[] array)
{
    var sum = 0;
    foreach (var item in array)
        sum += item;
    return sum;
}

        另一种替代方法是使用 LINQ 提供的操作。它可以应用于任何可枚举项,包括数组。Sum()

        那么,这三者在性能方面如何公平呢?

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        该基准测试比较了 .NET 10、1 和 000 上大小为 6 和 7.8 的阵列的性能。int

        您可以看到,使用循环 比使用循环快 30% 左右 foreachfor

        在最新的 .NET 版本中,LINQ 实现有了很大的改进。它在 .NET 6 中要慢得多,但在 .NET 7 中要慢得多,对于 .NET 8 中的大型数组来说要快得多。

三、foreachfor

        怎么能比循环更快?foreachfor和循环都是循环的语法糖。当在数组上使用这些代码时,编译器实际上会生成非常相似的代码。forforeachwhile

        你可以在SharpLab中看到以下代码:

var array = new[] {0, 1, 2, 3, 4, 5 };

Console.WriteLine(Sum_For());
Console.WriteLine(Sum_ForEach());

int Sum_For()
{
    var sum = 0;
    for (var index = 0; index < array.Length; index++)
        sum += array[index];
    return sum;                     
}

int Sum_ForEach()
{
    var sum = 0;
    foreach (var item in array)
        sum += item;
    return sum;                     
}

        编译器生成以下内容:

[CompilerGenerated]
private static int <<Main>$>g__Sum_For|0_0(ref <>c__DisplayClass0_0 P_0)
{
    int num = 0;
    int num2 = 0;
    while (num2 < P_0.array.Length)
    {
        num += P_0.array[num2];
        num2++;
    }
    return num;
}

[CompilerGenerated]
private static int <<Main>$>g__Sum_ForEach|0_1(ref <>c__DisplayClass0_0 P_0)
{
    int num = 0;
    int[] array = P_0.array; // copy array reference
    int num2 = 0;
    while (num2 < array.Length)
    {
        int num3 = array[num2];
        num += num3;
        num2++;
    }
    return num;
}

        代码非常相似,但请注意,添加了对数组的引用作为局部变量。这允许 JIT 编译器删除边界检查,从而使迭代速度更快。检查生成的程序集的差异:foreach

Program.<<Main>$>g__Sum_For|0_0(<>c__DisplayClass0_0 ByRef)
    L0000: sub rsp, 0x28
    L0004: xor eax, eax
    L0006: xor edx, edx
    L0008: mov rcx, [rcx]
    L000b: cmp dword ptr [rcx+8], 0
    L000f: jle short L0038
    L0011: nop [rax]
    L0018: nop [rax+rax]
    L0020: mov r8, rcx
    L0023: cmp edx, [r8+8]
    L0027: jae short L003d
    L0029: mov r9d, edx
    L002c: add eax, [r8+r9*4+0x10]
    L0031: inc edx
    L0033: cmp [rcx+8], edx
    L0036: jg short L0020
    L0038: add rsp, 0x28
    L003c: ret
    L003d: call 0x000002e975d100fc
    L0042: int3

Program.<<Main>$>g__Sum_ForEach|0_1(<>c__DisplayClass0_0 ByRef)
    L0000: xor eax, eax
    L0002: mov rdx, [rcx]
    L0005: xor ecx, ecx
    L0007: mov r8d, [rdx+8]
    L000b: test r8d, r8d
    L000e: jle short L001f
    L0010: mov r9d, ecx
    L0013: add eax, [rdx+r9*4+0x10]
    L0018: inc ecx
    L001a: cmp r8d, ecx
    L001d: jg short L0010
    L001f: ret

        这导致基准测试中的性能得到改善。

        请注意,在 SharpLab 中,数组已经是一个局部变量,不会生成副本。在这种情况下,性能是等效的。

四、对数组进行切片

        有时我们可能只想迭代数组的一部分。再一次,我认为大多数开发人员会实现以下内容:

static int Sum(int[] source, int start, int length)
{
    var sum = 0;
    for (var index = start; index < start + length; index++)
        sum += source[index];
    return sum;        
}

        这可以通过使用 Span.Slice() 方法轻松转换为 foreach

static int Sum(int[] source, int start, int length)  
    => Sum(source.AsSpan().Slice(start, length));

static int Sum(ReadOnlySpan<int> source)
{
    var sum = 0;
    foreach (var item in source)
        sum += item;
    return sum;
}

        那么,这些展会在表现方面如何呢?

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        在数组的一部分上使用也比使用循环好 20% 左右。foreachfor

五、LINQ

        检查 in 的源代码,对于 .NET 8 之前的 .NET 版本,您会发现它使用循环 。那么,如果使用 a 比 a 快,为什么在这种情况下它这么慢?Sum()System.Linqforeachforeachfor

        此实现是 类型的扩展方法。与 和 操作不同,当源在数组中时没有特殊情况。编译器将此实现转换为如下所示的内容:Sum()IEnumerable<int>Count()Where()Sum()

static int Sum(this IEnumerable<int> source)
{
    var sum = 0;
    IEnumerator<int> enumerator = source.GetEnumerator();
    try
    {
        while(enumerator.MoveNext())
            sum += enumerator.Current;
    }
    finally
    {
        enumerator?.Dispose()
    }
    return sum;
}

        此代码存在多个性能问题:

  • GetEnumerator()返回。这意味着枚举器是引用类型,这意味着它必须在堆上分配,从而增加垃圾回收器的压力。IEnumerator<T>
  • IEnumerator<T>来自。然后,它需要 来释放枚举器,因此无法内联此方法。IDisposabletry/finally
  • 对 的迭代需要调用方法和属性。由于枚举器是引用类型,因此这些调用是虚拟的。IEnumerable<T>MoveNext()Current

        所有这些都使数组的枚举速度慢得多。

注意:请查看我的另一篇文章“值类型枚举器的性能与引用类型枚举器的性能”,以了解这两种类型的枚举器之间的性能差异。

.NET 8 的性能要好得多,因为它会在 源是数组或 .如果是 or 的数组或列表,它会通过使用 SIMD 进行更多优化,从而允许同时对多个项目求和。Sum()List<T>intlong

注意:请查看我的另一篇文章“.NET 中的单指令多数据 (SIMD)”,了解 SIMD 的工作原理以及如何在代码中使用。

六、结论

        数组的迭代是编译器可以执行代码优化的特例。的使用保证了这些优化的最佳条件。foreach

        将数组转换为 会使其迭代速度慢得多。IEnumerable<T>

        并非所有 LINQ 方法都针对数组的情况进行了优化。在 .NET 8 之前,最好使用 Sum() 方法的自定义实现。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-606428.html

到了这里,关于【C#性能】C# 语言中的数组迭代的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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