F# 代码优化还是真的那么慢？

Question

我一直在寻找一种使用 .NET 进行适当算法编码的方法，该方法具有现代语言的所有优点（例如，我喜欢强类型检查、运算符重载、lambdas、泛型算法）。通常我用 C++ 编写我的算法（主要是图像处理）。由于 F# 作为一种语言似乎很有趣，所以我玩了一下，但似乎很慢。作为一个最简单的测试，我只是做了一些数组操作 -> 图像的亮度增加：

let r1 = rgbPixels |> Array.map (fun x -> x + byte(10) )

这似乎比比较的 C++ 实现慢至少 8 倍——对于更复杂的算法来说更糟，例如二维卷积。 有没有更快的方法或者我错过了任何特定的编译器设置（是的，构建带有优化的版本......）？ 我愿意为好的和高的抽象付费，但这样的开销并不好（我需要在 8 个内核上并行化以补偿:)） - 至少它破坏了进一步学习的动力......我的另一个选择将把我较重的算法留在 C++ 中并与托管 C++ 接口，但这并不好，因为维护托管包装器将是一个相当大的负担。

Answer 1

如果您担心性能，要记住的重要事项之一是 F# 默认情况下不会改变任何内容。这需要复制许多简单的算法实现，例如您描述的算法。

编辑：我不知道为什么，但是对以下代码的简单测试提供的结果不如Array.map。在执行这些类型的优化时，请务必分析您尝试的任何算法。但是我在for 和map 之间得到了非常相似的结果。

Array.map 为运算结果创建一个新数组，而不是您想要Array.iteri。

rgbPixels |> Array.iteri (fun i x -> rgbPixels.[i] <- x + 10uy)

请注意，这可以包含在您自己的模块中，如下所示

module ArrayM =
    let map f a = a |> Array.iteri (fun i x -> a.[i] <- f x)

不幸的是，这是一个必要的邪恶，因为函数式编程的主要租户之一是在算法允许的范围内尽可能多地坚持不可变对象，然后在完成后更改为性能至关重要的突变。如果您从一开始就知道自己的表现至关重要，那么您将需要从这类助手开始。

另外请注意，可能有一个库可以提供此功能，我只是暂时不知道。

Answer 2

我认为可以肯定地说，惯用的 F# 通常无法匹配优化的 C++ 的数组操作性能，原因如下：

1. 根据 .NET 中的数组边界检查数组访问，以确保内存安全。 CLR 的 JIT 编译器能够省略对某些典型代码的边界检查，但这通常需要您使用具有显式边界的 for 循环，而不是更惯用的 F# 构造。
2. 使用 lambdas 之类的抽象通常会产生少量开销（例如 fun i -> ...）。在紧密循环中，与在循环体中完成的工作相比，这个小开销最终可能会非常重要。
3. 据我所知，CLR JIT 编译器利用 SSE 指令的程度不如 C++ 编译器。

在账本的另一边，

1. 您永远不会在 F# 代码中出现缓冲区溢出。
2. 您的代码将更易于推理。因此，对于给定的总代码复杂度，您通常可以在 F# 中实现比在 C++ 中更复杂的算法。
3. 如有必要，您可以编写以接近 C++ 的速度运行的单一代码，如果您发现需要编写 C++ 以满足您的性能要求，还可以与不安全的 C++ 代码进行互操作。