c# - 显示转换为 uint 的代码示例比范围检查更有效

Question

所以我在看this question并且普遍的共识是 uint 转换版本比使用 0 进行范围检查更有效。由于代码也在 MS 的 List 实现中，我认为这是一个真正的优化。但是，我未能生成可以为 uint 版本带来更好性能的代码示例。我尝试了不同的测试，但缺少某些东西，或者我的代码的其他部分使检查时间相形见绌。我最后一次尝试是这样的:

class TestType
{
    public TestType(int size)
    {
        MaxSize = size;
        Random rand = new Random(100);
        for (int i = 0; i < MaxIterations; i++)
        {
            indexes[i] = rand.Next(0, MaxSize);
        }
    }

    public const int MaxIterations = 10000000;
    private int MaxSize;
    private int[] indexes = new int[MaxIterations];

    public void Test()
    {
        var timer = new Stopwatch();

        int inRange = 0;
        int outOfRange = 0;

        timer.Start();
        for (int i = 0; i < MaxIterations; i++)
        {
            int x = indexes[i];
            if (x < 0 || x > MaxSize)
            {
                throw new Exception();

            }

            inRange += indexes[x];
        }
        timer.Stop();

        Console.WriteLine("Comparision 1: " + inRange + "/" + outOfRange + ", elapsed: " + timer.ElapsedMilliseconds + "ms");

        inRange = 0;
        outOfRange = 0;

        timer.Reset();
        timer.Start();

        for (int i = 0; i < MaxIterations; i++)
        {
            int x = indexes[i];
            if ((uint)x > (uint)MaxSize)
            {
                throw new Exception();
            }

            inRange += indexes[x];
        }

        timer.Stop();

        Console.WriteLine("Comparision 2: " + inRange + "/" + outOfRange + ", elapsed: " + timer.ElapsedMilliseconds + "ms");

    }
}

class Program
{
    static void Main()
    {
        TestType t = new TestType(TestType.MaxIterations);
        t.Test();
        TestType t2 = new TestType(TestType.MaxIterations);
        t2.Test();
        TestType t3 = new TestType(TestType.MaxIterations);
        t3.Test();
    }
}

代码有点乱，因为我尝试了很多方法来使 uint 检查执行得更快，例如将比较变量移动到类的字段中，生成随机索引访问等等，但在每种情况下结果似乎都是两个版本都一样。那么这种变化是否适用于现代 x86 处理器，有人可以以某种方式证明它吗？

请注意，我并不是要找人修理我的 sample 或解释它有什么问题。我只想看看优化确实起作用的情况。

Answer 1

       if (x < 0 || x > MaxSize)

比较是由CMP处理器指令(Compare)进行的。你会想看看 Agner Fog's instruction tables document (PDF)，它列出了说明的费用。在列表中找到您的处理器，然后找到 CMP 指令。

对于我的 Haswell，CMP 需要 1 个周期的延迟和 0.25 个周期的吞吐量。

像这样的分数成本可以用一个解释，Haswell 有 4 个整数执行单元，可以同时执行指令。当一个程序包含足够多的整数操作时，如 CMP，没有相互依赖性，那么它们可以同时执行。实际上使程序快 4 倍。你并不总是设法让所有 4 个同时忙于你的代码，这实际上是非常罕见的。但是在这种情况下，您确实让其中的 2 个忙。或者换句话说，两次比较所花费的时间与一次比较所花费的时间一样长，即 1 个周期。

还有其他因素在起作用，使执行时间相同。一件有帮助的事情是处理器可以很好地预测分支，它可以推测性地执行 x > MaxSize，尽管有短路评估。事实上，它最终会使用结果，因为分支从未被采用。

这段代码的真正瓶颈是数组索引，访问内存是处理器可以做的最慢的事情之一。因此，“快速”版本的代码并没有更快，尽管它提供了更多允许处理器并发执行指令的机会。无论如何，今天这不是什么好机会，处理器有太多的执行单元而无法保持忙碌。否则，使超线程工作的功能。在这两种情况下，处理器都以相同的速度陷入困境。

在我的机器上，我必须编写占用超过 4 个引擎的代码以使其变慢。像这样愚蠢的代码:

     if (x < 0 || x > MaxSize || x > 10000000 || x > 20000000 || x > 3000000) {
         outOfRange++; 
     }
     else {
         inRange++;
     }

使用 5 次比较，现在我可以区分 61 与 47 毫秒。或者换句话说，这是一种计算处理器中整数引擎数量的方法。呵呵:)

所以这是一个 微观优化，可能在十年前就已经取得了返回。现在没有了。把它从你要担心的事情 list 上划掉:)