C# foreach 性能 vs 内存碎片

Question

跟踪性能问题（我知道微）我以这个测试程序结束。 使用框架 4.5 和发布模式编译它在我的机器上花费了大约 10 毫秒。

如果我删除这条线，我有什么困扰

public int[] value1 = new int[80];

时间接近 2 毫秒。 似乎存在一些内存碎片问题，但我未能解释原因。 我已经用 Net Core 2.0 测试了该程序，结果相同。 谁能解释这种行为？

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;

namespace ConsoleApp4
{

    public class MyObject
    {
        public int value = 1;
        public int[] value1 = new int[80];
    }


    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {

            var list = new List<MyObject>();
            for (int i = 0; i < 500000; i++)
            {
                list.Add(new MyObject());
            }

            long total = 0;
            for (int i = 0; i < 200; i++)
            {
                int counter = 0;
                Stopwatch timer = Stopwatch.StartNew();

                foreach (var obj in list)
                {
                    if (obj.value == 1)
                        counter++;
                }

                timer.Stop();
                total += timer.ElapsedMilliseconds;
            }

            Console.WriteLine(total / 200);

            Console.ReadKey();
        }
    }
}

更新：

经过一些研究，我得出结论，这只是处理器缓存访问时间。 使用 VS 分析器，缓存未命中似乎要高得多

• 没有数组

• 带阵列

Answer 1

有几个影响。

当你有你的线路public int[] value1 = new int[80]; ，您有一个额外的内存分配：在堆上创建一个新数组，该数组将容纳 80 个整数（320 字节）+ 类的开销。 您进行了 500 000 次这些分配。

这些分配总计超过 160 MB 的 RAM，这可能会导致 GC 启动并查看是否有内存要释放。

此外，当您分配如此多的内存时，列表中的某些对象可能不会保留在 CPU 缓存中。 当您稍后枚举集合时，CPU 可能需要从 RAM 中读取数据，而不是从缓存中读取数据，这会导致严重的性能损失。

Answer 2

我无法重现两者之间的巨大差异，我也不指望它。 下面是我在 .NET Core 2.2 上得到的结果。

MyObject实例将在堆上分配。 在一种情况下，您有一个 int 和一个对 int 数组的引用。 在另一个你只有int。 在这两种情况下，您都需要执行遵循列表中的参考的额外工作。 这在两种情况下都是相同的，编译后的代码显示了这一点。

分支预测将影响此运行的速度，但是由于您每次都在相同条件下进行分支，因此我不希望它在运行之间发生变化（除非您更改数据）。

BenchmarkDotNet=v0.11.3, OS=Windows 10.0.17134.376 (1803/April2018Update/Redstone4)
Intel Core i7-8650U CPU 1.90GHz (Kaby Lake R), 1 CPU, 8 logical and 4 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
  DefaultJob : .NET Core 2.2.0 (CoreCLR 4.6.27110.04, CoreFX 4.6.27110.04), 64bit RyuJIT


       Method |   size |     Mean |     Error |    StdDev | Ratio |
------------- |------- |---------:|----------:|----------:|------:|
    WithArray | 500000 | 8.167 ms | 0.0495 ms | 0.0463 ms |  1.00 |
 WithoutArray | 500000 | 8.167 ms | 0.0454 ms | 0.0424 ms |  1.00 |

以供参考：

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System.Collections.Generic;

namespace CoreSandbox
{
    [DisassemblyDiagnoser(printAsm: true, printSource: false, printPrologAndEpilog: true, printIL: false, recursiveDepth: 1)]
    //[MemoryDiagnoser]
    public class Test
    {
        private List<MyObject> dataWithArray;
        private List<MyObjectLight> dataWithoutArray;

        [Params(500_000)]
        public int size;

        public class MyObject
        {
            public int value = 1;
            public int[] value1 = new int[80];
        }

        public class MyObjectLight
        {
            public int value = 1;
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            var summary = BenchmarkRunner.Run<Test>();
        }

        [GlobalSetup]
        public void Setup()
        {
            dataWithArray = new List<MyObject>(size);
            dataWithoutArray = new List<MyObjectLight>(size);

            for (var i = 0; i < size; i++)
            {
                dataWithArray.Add(new MyObject());
                dataWithoutArray.Add(new MyObjectLight());
            }
        }

        [Benchmark(Baseline = true)]
        public int WithArray()
        {
            var counter = 0;

            foreach(var obj in dataWithArray)
            {
                if (obj.value == 1)
                    counter++;
            }

            return counter;
        }

        [Benchmark]
        public int WithoutArray()
        {
            var counter = 0;

            foreach (var obj in dataWithoutArray)
            {
                if (obj.value == 1)
                    counter++;
            }

            return counter;
        }

    }
}