C#for循环和Array.Fill之间的性能差异

Question

我已经使用BenchmarkDotNet:实现了以下基准测试

public class ForVsFillVsEnumerable
{
private bool[] data;
[Params(10, 100, 1000)]
public int N;
[GlobalSetup]
public void Setup()
{
data = new bool[N];
}
[Benchmark]
public void Fill()
{
Array.Fill(data, true);
}
[Benchmark]
public void For()
{           
for (int i = 0; i < data.Length; i++)
{
data[i] = true;
}
}
[Benchmark]
public void EnumerableRepeat()
{
data = Enumerable.Repeat(true, N).ToArray();
}
}

结果是：

BenchmarkDotNet=v0.11.3, OS=Windows 10.0.17763.195 (1809/October2018Update/Redstone5)
Intel Core i7-8700K CPU 3.70GHz (Coffee Lake), 1 CPU, 12 logical and 6 physical cores
.NET Core SDK=2.2.200-preview-009648
[Host] : .NET Core 2.2.0 (CoreCLR 4.6.27110.04, CoreFX 4.6.27110.04), 64bit RyuJIT
Core   : .NET Core 2.2.0 (CoreCLR 4.6.27110.04, CoreFX 4.6.27110.04), 64bit RyuJIT
Job=Core  Runtime=Core
Method |    N |       Mean |      Error |      StdDev |     Median | Ratio | Rank |
----------------- |----- |-----------:|-----------:|------------:|-----------:|------:|-----:|
Fill |   10 |   3.675 ns |  0.2550 ns |   0.7150 ns |   3.331 ns |  1.00 |    1 |
|      |            |            |             |            |       |      |
For |   10 |   6.615 ns |  0.3928 ns |   1.1581 ns |   6.056 ns |  1.00 |    1 |
|      |            |            |             |            |       |      |
EnumerableRepeat |   10 |  25.388 ns |  1.0451 ns |   2.9307 ns |  24.170 ns |  1.00 |    1 |
|      |            |            |             |            |       |      |
Fill |  100 |  50.557 ns |  2.0766 ns |   6.1229 ns |  46.690 ns |  1.00 |    1 |
|      |            |            |             |            |       |      |
For |  100 |  64.330 ns |  4.0058 ns |  11.8111 ns |  59.442 ns |  1.00 |    1 |
|      |            |            |             |            |       |      |
EnumerableRepeat |  100 |  81.784 ns |  4.2407 ns |  12.5039 ns |  75.937 ns |  1.00 |    1 |
|      |            |            |             |            |       |      |
Fill | 1000 | 447.016 ns | 15.4420 ns |  45.5312 ns | 420.239 ns |  1.00 |    1 |
|      |            |            |             |            |       |      |
For | 1000 | 589.243 ns | 51.3450 ns | 151.3917 ns | 495.177 ns |  1.00 |    1 |
|      |            |            |             |            |       |      |
EnumerableRepeat | 1000 | 519.124 ns | 21.3580 ns |  62.9746 ns | 505.573 ns |  1.00 |    1 |

最初我猜测Array.Fill做了一些优化，使其比for-循环执行得更好，但后来我检查了.NET Core源代码，发现Array.Fill的实现非常简单：

public static void Fill<T>(T[] array, T value)
{
if (array == null)
{
ThrowHelper.ThrowArgumentNullException(ExceptionArgument.array);
}
for (int i = 0; i < array.Length; i++)
{
array[i] = value;
}
}

性能已经足够接近了，但Fill似乎始终比for快一点，尽管在引擎盖下它是完全相同的代码。你能解释一下原因吗？还是我只是看错了结果？

Answer 1

我对Enumerable.Repeat()感到惊讶，这与我最初认为它的伸缩性很好相反。无论如何，为了回答你的问题：当你使用For()时，你会重复访问一个类成员，而当你调用Array.Fill()时，你只会获得一次它的地址。

我更惊讶的是，编译器没有检测到并优化这一点，但要读取类成员的值，需要ldarg.0来获得this的值，然后ldfld ForVsFillVsEnumerable.data来获得其实际地址。在ForVsFillVsEnumerable.Fill()中，只执行一次调用Array.Fill()。

你可以检查这写你自己的填充功能：

[Benchmark]
public void For2()
{
ForImpl(data);
}
private static void ForImpl(bool[] data)
{
for (int i = 0; i < data.Length; i++)
{
data[i] = true;
}
}

注1：无论性能如何，使用库函数总是更好的，因为它可能会从未来的优化中受益(例如，他们可能会决定为Array.Fill()添加特定的重载，并使用本机代码来实现它们，对于某些体系结构，普通的memset()非常快)。

注意2：如果循环代码太小(而且很快)，我会避免用小矢量(10或100个项目)测量任何东西，因为要设置一个合适的测试环境来可靠地测量几纳秒的差异是非常困难的。我认为1000(甚至100000)是一开始的最低值(即使在这种情况下，很多其他东西也会起到相关作用……)除非你的真实世界用例是10/100……在那种情况下，我会尝试测量一个更大的算法，在那里这种差异更明显(如果不是，那么你不应该在乎)。