C++ 数组 vs C# ptr 速度混淆

Question

我正在将高性能 C++ 应用程序重写为 C#。 C# 应用程序明显比 C++ 原始应用程序慢。分析告诉我 C# 应用程序花费大部分时间来访问数组元素。因此，我创建了一个简单的数组访问基准。我得到的结果与others doing a similiar comparison 完全不同。

C++ 代码：

#include <limits>
#include <stdio.h>
#include <chrono>
#include <iostream>

using namespace std;
using namespace std::chrono;

int main(void)
{
    high_resolution_clock::time_point t1 = high_resolution_clock::now();

    int xRepLen = 100 * 1000;
    int xRepCount = 1000;

    unsigned short * xArray = new unsigned short[xRepLen];
    for (int xIdx = 0; xIdx < xRepLen; xIdx++)
        xArray[xIdx] = xIdx % USHRT_MAX;

    int * xResults = new int[xRepLen];

    for (int xRepIdx = 0; xRepIdx < xRepCount; xRepIdx++)
    {

        // in each repetition, find the first value, that surpasses xArray[xIdx] + 25 - i.e. we will perform 25 searches
        for (int xIdx = 0; xIdx < xRepLen; xIdx++)
        {
            unsigned short xValToBreach = (xArray[xIdx] + 25) % USHRT_MAX;
            xResults[xIdx] = 0;

            for (int xIdx2 = xIdx + 1; xIdx2 < xRepLen; xIdx2++)
            if (xArray[xIdx2] >= xValToBreach)
            {
                xResults[xIdx] = xIdx2; break;
            }

            if (xResults[xIdx] == 0)
                xResults[xIdx] = INT_MAX;
        }
    }

    high_resolution_clock::time_point t2 = high_resolution_clock::now();
    auto duration = duration_cast<milliseconds>(t2 - t1).count();
    cout << "Elasped miliseconds " << duration;
    getchar();
}

C# 代码：

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

namespace arrayBenchmarkCs
{
    class Program
    {
        public static void benchCs()
        {
            unsafe
            {
                int xRepLen = 100 * 1000;
                int xRepCount = 1000;

                ushort[] xArr = new ushort[xRepLen];
                for (int xIdx = 0; xIdx < xRepLen; xIdx++)
                    xArr[xIdx] = (ushort)(xIdx % 0xffff);

                int[] xResults = new int[xRepLen];

                Stopwatch xSw = new Stopwatch(); xSw.Start();
                fixed (ushort * xArrayStart = & xArr [0])
                {
                    for (int xRepIdx = 0; xRepIdx < xRepCount; xRepIdx++)
                    {

                        // in each repetition, go find the first value, that surpasses xArray[xIdx] + 25 - i.e. we will perform 25 searches
                        ushort * xArrayEnd = xArrayStart + xRepLen;
                        for (ushort* xPtr = xArrayStart; xPtr != xArrayEnd; xPtr++)
                        {
                            ushort xValToBreach = (ushort)((*xPtr + 25) % 0xffff);
                            int xResult = -1;
                            for (ushort * xPtr2 = xPtr + 1; xPtr2 != xArrayEnd; xPtr2++)
                                if ( *xPtr2  >= xValToBreach)
                                {
                                    xResult = (int)(xPtr2 - xArrayStart);
                                    break;
                                }

                            if (xResult == -1)
                                xResult = int.MaxValue;

                            // save result
                            xResults[xPtr - xArrayStart] = xResult;
                        }
                    }
                }   // fixed

                xSw.Stop();

                Console.WriteLine("Elapsed miliseconds: " + (xSw.ElapsedMilliseconds.ToString("0"));
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            benchCs();
            Console.ReadKey();
        }
    }
}

在我的工作计算机 (i7-3770) 上，C++ 版本比 C# 版本快大约 2 倍。在我的家用计算机 (i7-5820K) 上，C++ 比 C# 版本快 1.5 倍。两者都在 Release 中测量。我希望通过在 C# 中使用指针可以避免数组边界检查，并且两种语言的性能相同。

所以我的问题如下：

• 其他人发现 C# 的速度与 C++ 相同？
• 如果不通过指针，如何将 C# 性能提升到 C++ 级别？
• 不同计算机上不同加速的驱动因素可能是什么？

非常感谢任何提示， 丹尼尔

Answer 1

你不会得到这种以 C++ 速度计算的核心数字。使用指针算术和不安全代码可以帮助您解决问题（如果您删除不安全和固定部分，速度几乎是原来的一半）。 C# 没有编译为本机代码，它运行的代码充满了额外的检查和东西。

如果您愿意使用unsafe，那么真的没有什么能阻止您将 C++ 性能关键的东西编码到混合模式程序集中，并从 C# 胶水代码中调用它。

Answer 2

C++ 代码的工作方式与 C# 不同。内循环不同。 xResults[xIdx] 有 4 个内存操作，而 c# 中只有 1 个。

我很震惊，C# 代码的性能如此依赖于框架版本。 更有趣的是，.net core 3.1 上的 C# 比 C++ 高出 5%。使用其他框架，我检查了 C# 比 C++ 慢 30-50%