c# - 与结构大小和性能相关的特殊结果

Question

我很好奇在使用运算符 + 和 * 进行数学运算时，大型结构与小型结构的开销。所以我做了两个结构，一个 Small 有 1 个双字段(8 字节)和一个 Big 有 10 个 double 字段(80 字节)。在我的所有操作中，我只操作一个名为 x 的字段。

首先我在两个结构中都定义了数学运算符，比如

public static Small operator +(Small a, Small b)
{
    return new Small(a.x + b.x);
}
public static Small operator *(double x, Small a)
{
    return new Small(x * a.x);
}

正如预期的那样，它会在堆栈中占用大量内存来复制字段。我运行了 5,000,000 次数学运算迭代并得到了我怀疑的结果(减速 3 倍)。

public double TestSmall()
{
    pt.Start(); // pt = performance timing object
    Small r = new Small(rnd.NextDouble()); //rnd = Random number generator
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        a = 0.6 * a + 0.4 * r;   // a is a local field of type Small
    }
    pt.Stop();
    return pt.ElapsedSeconds;
}

Release 代码的结果(以秒为单位)

Small=0.33940 Big=0.98909     Big is Slower by x2.91

现在是有趣的部分。我用带有 ref 参数的静态方法定义相同的操作

public static void Add(ref Small a, ref Small b, ref Small res)
{
    res.x = a.x + b.x;
}
public static void Scale(double x, ref Small a, ref Small res)
{
    res.x = x * a.x;
}

并在此测试代码上运行相同次数的迭代:

public double TestSmall2()
{
    pt.Start(); // pt = performance timing object
    Small a1 = new Small(); // local
    Small a2 = new Small(); // local
    Small r = new Small(rnd.NextDouble()); //rdn = Random number generator
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        Small.Scale(0.6, ref a, ref a1);
        Small.Scale(0.4, ref r, ref a2);
        Small.Add(ref a1, ref a2, ref a);
    }
    pt.Stop();
    return pt.ElapsedSeconds;
}

结果显示(以秒为单位)

Small=0.11765 Big=0.07130     Big is Slower by x0.61

因此，与内存复制密集型运算符相比，我得到了 x3 和 x14 的加速，这很好，但是将 Small 结构时间与 Big 进行比较，您会发现 Small 比 Big 慢 60% 慢比大。

谁能解释一下？它是否与 CPU 流水线有关，并且在(空间)内存中分离操作可以更有效地预取数据？

如果您想自己尝试，请从我的保管箱中获取代码 http://dl.dropbox.com/u/11487099/SmallBigCompare.zip

Answer 1

您的基准测试似乎存在一些缺陷。

1. 使用Stopwatch 而不是PerformanceTimer 类型。我不熟悉后者，它似乎是第 3 方组件。尤其麻烦的是，它以 EllapsedSeconds 而不是 EllapsedMilliseconds 为单位测量时间。
2. 应将每个测试运行两次并只计算第二次以消除潜在的 JIT 成本
3. Marshal.SizeOf 不会产生结构的实际大小，只是它的编码大小。

切换到 Stopwatch 后，我看到基准测试按预期执行，在静态引用情况下两种类型的时间几乎相等。