C# 结构布局和意外的基准测试结果？

Question

我并不是真正对应用程序的性能进行微观管理，但我对以下场景很感兴趣。

对于 Structs，默认情况下，C# 编译器会生成布局 LayoutType。顺序的。这意味着字段应保持程序员定义的顺序。我相信这是为了支持与非托管代码的互操作性。然而，大多数用户定义的结构与互操作性无关。我读过，为了获得更好的性能，我们可以显式指定 LayoutKind.Auto，并让 CLR 决定可能的最佳布局。为了对此进行测试，我想对这两种布局进行快速基准测试。但是我的结果表明默认布局（LayoutType.Sequnetial）比显式布局（LayoutType.Auto）快一点。我期待相反的结果。

以下是我在我的机器上运行的测试（x86 运行 .NET 4）

//uses LayoutKind.Sequence by default
public struct StructSeq
{
    private readonly Byte mb;
    private readonly Int16 mx;
    public string a;
    public string b;
    public string c;
    public string d;
}

[StructLayout(LayoutKind.Auto)]
public struct StructAuto
{
    private readonly Byte mb;
    private readonly Int16 mx;
    public string a;
    public string b;
    public string c;
    public string d;
}

public sealed class Program
{
    public static void Main()
    {
        StructSeq sq = new StructSeq();
        Stopwatch sw1 = new Stopwatch();
        sw1.Start();
        for (int i = 0; i < 10000; i++)
        {
            sq = ProcessStructSeq(sq);
        }
        sw1.Stop();
        Console.WriteLine("Struct LayoutKind.Sequence (default) {0}", sw1.Elapsed.TotalMilliseconds);

        StructAuto so = new StructAuto();
        Stopwatch sw2 = new Stopwatch();
        sw2.Start();
        for (int i = 0; i < 10000; i++)
        {
            so = ProcessStructAuto(so);
        }
        sw2.Stop();
        Console.WriteLine("Struct LayoutKind.Auto (explicit) {0}", sw2.Elapsed.TotalMilliseconds);
        Console.ReadLine();
    }

    public static StructSeq ProcessStructSeq(StructSeq structSeq)
    {
        structSeq.a = "1";
        structSeq.b = "2";
        structSeq.c = "3";
        structSeq.d = "4";
        return structSeq;
    }        

    public static StructAuto ProcessStructAuto(StructAuto structAuto)
    {
        structAuto.a = "1";
        structAuto.b = "2";
        structAuto.c = "3";
        structAuto.d = "4";
        return structAuto;
    }
}

下面是我在我的机器上得到的示例结果（x86 运行 .NET 4）

Struct LayoutKind.Sequence（默认）0.7488

Struct LayoutKind.Auto（显式）0.7643

我多次运行此测试，我总是得到 Struct LayoutKind.Sequence (default)

即使是微毫秒的差异，我希望 Struct LayoutKind.Auto（显式）低于 Struct LayoutKind.Sequence（默认）。

有人知道这是什么原因吗？还是我的基准测试不够准确，无法给我正确的结果？

Answer 1

我相信由于您的字段的布局方式没有区别。您声明它们的方式，填充将是相同的。如果您尝试交错不同大小的字段，您应该会看到差异，至少在大小上，如果不是在速度上。

此外，根据this blog post，具有引用字段的结构更改为自动布局（这意味着您实际上是在做同样的事情！）。

public struct MyStruct
{
    private byte b1;
    public long a;
    private byte b2;
    public long b;
    private byte b3;
    public long c;
    private byte b4;
    public long d;
}

Answer 2

我已经在我的系统上测试了你的代码，发现当测试运行很多次时，平均花费的时间是相同的，每次测试运行都会略微偏向一个或另一个替代方案。这适用于调试和发布版本。

另外，作为快速检查，我查看了调试器中的 x86 代码，我发现生成的代码没有任何区别。因此，对于您的程序，您在测量中观察到的差异本质上似乎是噪声。

Answer 3

老实说，它非常接近，除非您处理几百万个这样的结构，否则它不会产生任何明显的差异。事实上，多次运行它可能会产生不同的结果。我会增加迭代次数并尝试在没有附加调试器的情况下运行程序，看看是否有任何变化。

不过，仅仅使用结构体并不能立即让您的代码更快，有许多缺陷会导致结构体比它们的等效类慢得多。

如果你想优化这个基准，你应该将结构体作为引用传递给过程方法，而不是返回另一个结构体（避免为该方法创建 2 个额外的结构体），这应该比其他结构体提供更大的加速布局种类：

public static void ProcessStructSeq(ref StructSeq structSeq)
{
    structSeq.a = "1";
    structSeq.b = "2";
    structSeq.c = "3";
    structSeq.d = "4";
}        

public static void ProcessStructAuto(ref StructAuto structAuto)
{
    structAuto.a = "1";
    structAuto.b = "2";
    structAuto.c = "3";
    structAuto.d = "4";
}

此外，结构体在某一点上变得比它们的类对应物慢，根据this MSDN article 估计大约为 16 个字节，this StackOverflow question 中进一步解释了这一点。