c# - C# 优化器性能差？

Question

我刚刚编写了一个小示例来检查 C# 优化器在索引器情况下的行为。这个例子很简单——我只是将一个数组包装在一个类中并尝试填充它的值:一次是直接填充，一次是通过索引器(它在内部访问数据的方式与直接解决方案完全相同)。

    public class ArrayWrapper
    {
        public ArrayWrapper(int newWidth, int newHeight)
        {
            width = newWidth;
            height = newHeight;

            data = new int[width * height];
        }

        public int this[int x, int y]
        {
            get
            {
                return data[y * width + x];
            }
            set
            {
                data[y * width + x] = value;
            }
        }

        public readonly int width, height;
        public readonly int[] data;
    }

    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            ArrayWrapper bigArray = new ArrayWrapper(15000, 15000);

            Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();
            stopwatch.Start();
            for (int y = 0; y < bigArray.height; y++)
                for (int x = 0; x < bigArray.width; x++)
                    bigArray.data[y * bigArray.width + x] = 12;
            stopwatch.Stop();

            Console.WriteLine(String.Format("Directly: {0} ms", stopwatch.ElapsedMilliseconds));

            stopwatch.Restart();
            for (int y = 0; y < bigArray.height; y++)
                for (int x = 0; x < bigArray.width; x++)
                    bigArray[x, y] = 12;
            stopwatch.Stop();

            Console.WriteLine(String.Format("Via indexer: {0} ms", stopwatch.ElapsedMilliseconds));

            Console.ReadKey();
        }
    }

许多 SO 帖子告诉我，程序员应该高度信任优化器来完成它的工作。但在这种情况下，结果非常令人惊讶:

Directly: 1282 ms
Via indexer: 2134 ms

(在启用优化的发布配置中编译，我仔细检查)。

这是一个巨大的差异 - 绝不是统计错误(而且它既可扩展又可重复)。

这是一个非常令人不快的惊喜:在这种情况下，我希望编译器内联索引器(它甚至不包括任何范围检查)，但它没有这样做。这是反汇编(请注意，我的评论是对正在发生的事情的猜测):

直接

                    bigArray.data[y * bigArray.width + x] = 12;
000000a2  mov         eax,dword ptr [ebp-3Ch]  // Evaluate index of array
000000a5  mov         eax,dword ptr [eax+4] 
000000a8  mov         edx,dword ptr [ebp-3Ch] 
000000ab  mov         edx,dword ptr [edx+8] 
000000ae  imul        edx,dword ptr [ebp-10h]  
000000b2  add         edx,dword ptr [ebp-14h]  // ...until here
000000b5  cmp         edx,dword ptr [eax+4]    // Range checking
000000b8  jb          000000BF 
000000ba  call        6ED23CF5                 // Throw IndexOutOfRange
000000bf  mov         dword ptr [eax+edx*4+8],0Ch // Assign value to array

通过索引器

                    bigArray[x, y] = 12;
0000015e  push        dword ptr [ebp-18h]       // Push x and y
00000161  push        0Ch                       // (prepare parameters)
00000163  mov         ecx,dword ptr [ebp-3Ch] 
00000166  mov         edx,dword ptr [ebp-1Ch] 
00000169  cmp         dword ptr [ecx],ecx 
0000016b  call        dword ptr ds:[004B27DCh]  // Call the indexer

(...)

                data[y * width + x] = value;
00000000  push        ebp 
00000001  mov         ebp,esp 
00000003  sub         esp,8 
00000006  mov         dword ptr [ebp-8],ecx 
00000009  mov         dword ptr [ebp-4],edx 
0000000c  cmp         dword ptr ds:[004B171Ch],0 // Some additional checking, I guess?
00000013  je          0000001A 
00000015  call        6ED24648                   
0000001a  mov         eax,dword ptr [ebp-8]        // Evaluating index
0000001d  mov         eax,dword ptr [eax+4] 
00000020  mov         edx,dword ptr [ebp-8] 
00000023  mov         edx,dword ptr [edx+8] 
00000026  imul        edx,dword ptr [ebp+0Ch] 
0000002a  add         edx,dword ptr [ebp-4]        // ...until here
0000002d  cmp         edx,dword ptr [eax+4]        // Range checking
00000030  jb          00000037 
00000032  call        6ED23A5D                     // Throw IndexOutOfRange exception
00000037  mov         ecx,dword ptr [ebp+8] 
0000003a  mov         dword ptr [eax+edx*4+8],ecx  // Actual assignment
                }
0000003e  nop 
0000003f  mov         esp,ebp 
00000041  pop         ebp 
00000042  ret         8                            // Returning

这完全是一场灾难(就代码优化而言)。所以我的问题是:

• 为什么这段代码(实际上很简单)没有得到适当的优化？
• 如何修改此代码，使其按照我希望的方式进行优化(如果可能)？
• 程序员能否像依赖 C++ 的优化器一样依赖 C# 的优化器？

好的，我知道，最后一个问题很难回答。但最近我阅读了很多关于 C++ 性能的问题，并且惊讶于优化器可以做多少(例如，std::tie 的总内联，两个 std::tuple 构造函数和动态重载 opeartor <)。

---

编辑:(回应评论)

看来，这实际上仍然是我的错，因为我在运行 IDE 时检查了性能。现在我从 IDE 中运行相同的程序，并通过调试器即时附加到它。现在我得到:

直接

                    bigArray.data[y * bigArray.width + x] = 12;
000000ae  mov         eax,dword ptr [ebp-10h] 
000000b1  imul        eax,edx 
000000b4  add         eax,ebx 
000000b6  cmp         eax,edi 
000000b8  jae         000001FA 
000000be  mov         dword ptr [ecx+eax*4+8],0Ch 

索引器

                    bigArray[x, y] = 12;
0000016b  mov         eax,dword ptr [ebp-14h] 
0000016e  imul        eax,edx 
00000171  add         eax,ebx 
00000173  cmp         eax,edi 
00000175  jae         000001FA 
0000017b  mov         dword ptr [ecx+eax*4+8],0Ch 

这些代码完全相同(就 CPU 指令而言)。运行后，索引器版本取得了比直接版本更好的结果，但(我猜)只是因为缓存。将测试放入循环后，一切恢复正常:

Directly: 573 ms
Via indexer: 353 ms
Directly: 356 ms
Via indexer: 362 ms
Directly: 351 ms
Via indexer: 370 ms
Directly: 351 ms
Via indexer: 354 ms
Directly: 359 ms
Via indexer: 356 ms

嗯；学过的知识。 即使是在Release模式下编译，无论程序是在IDE中运行还是独立运行，还是有很大的区别。感谢@harold 的想法。

Answer 1

在立即附加调试器的情况下运行代码会生成缓慢的代码(除非您启用“抑制模块加载时的 JIT 优化”，但这会使调试变得有点困难)。我用来查看优化程序集的过程是抛出一个异常(有条件地，比如说，如果静态变量为 0，那么优化器不会太容易触发)，并在它崩溃时附加调试器。您可能必须通过“手动选择调试器”路线。此外，确保启用“显示外部代码”(从调用堆栈的上下文菜单中)。

我得到的直接访问代码是

innerloop:
  mov  eax,dword ptr [esi+8]   ; bigArray.width
  imul eax,ebx                 ; * y
  add  eax,edi                 ; + x
  mov  edx,dword ptr [ebp-14h] ; pointer to bigArray.data
  mov  ecx,dword ptr [ebp-10h] ; \
  cmp  eax,ecx                 ; |  bounds check
  jae  00000087                ; /
  mov  dword ptr [edx+eax*4+8],0Ch ; data[index] = 12
  inc  edi                     ; x++
  cmp  edi,dword ptr [esi+8]   ; \
  jl   innerloop               ; / if (x < bigArray.width) goto innerloop

对于索引器:

innerloop:
  mov  eax,dword ptr [esi+8]   ; bigArray.width
  imul eax,ebx                 ; * y
  add  eax,edi                 ; + x
  mov  edx,dword ptr [ebp-14h] ; pointer to bigArray.data
  mov  ecx,dword ptr [ebp-10h] ; \
  cmp  eax,ecx                 ; |  bounds check
  jae  00000087                ; /
  mov  dword ptr [edx+eax*4+8],0Ch ; data[index] = 12
  inc  edi                     ; x++
  cmp  edi,dword ptr [esi+8]   ; \
  jl   innerloop               ; / if (x < bigArray.width) goto innerloop

这不是粘贴错误，内部循环的代码确实完全相同。