C＃for-loop和Array.Fill之间的性能差异

Question

我使用BenchmarkDotNet实现了以下基准BenchmarkDotNet ：

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 |

本来我猜想Array.Fill做了一些优化，这使得它的性能比更好for -loop，但后来我查了。 .NET Core源代码 ，看看Array.Fill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;
    }
}

性能足够接近，但它仍然看起来Fill一直快一点， for即使在引擎盖下它是完全相同的代码。 你能解释一下原因吗？ 或者我只是错误地阅读结果？

Answer 1

我对Enumerable.Repeat()感到惊讶，相反我的第一个想法是它很好地扩展。 无论如何，要回答你的问题：当你使用For()你反复访问一个类成员，而在调用Array.Fill()你只获得它的地址一次。

我更惊讶的是，编译器不会检测-优化-这一点，但看你需要一个类成员的值ldarg.0得到的值this ，然后ldfld ForVsFillVsEnumerable.data获得其实际地址。 在ForVsFillVsEnumerable.Fill()中，只执行一次调用Array.Fill() 。

你可以检查这个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，因为它可能有利于未来的优化（例如，他们可能决定为Array.Fill()添加特定的重载，并用本机代码实现它们 - 其中 - for一些架构 - 普通的memset()非常快。

注2：如果循环代码太小（而且速度快），我会避免用小矢量（10或100项）来测量任何东西，因为设置一个合适的测试环境以可靠地测量几纳秒的差异是非常困难的。 我认为1000（或甚至100,000）是最小的开始（即使在那种情况下，许多其他东西也将起到相关的作用......）除非你的真实用例是10/100 ......那种情况我会尝试测量一个更大的算法，这个差异更明显（如果不是那么你就不应该关心）。