再探C#类与结构体究竟谁快——考虑栈变量、栈分配、64位整数、密封类

上次我对C#类与结构体做了一次速度评测（http://blog.csdn.net/zyl910/article/details/6788417）。经过一段时间思索，发现还可以进一步探讨——

第一、栈变量。上次的“硬编码”，是访问类中的静态变量的。若改为访问函数中的栈变量，性能会不会有所提高？
第二、栈分配（stackalloc）。既然要测试栈变量，我们还可以顺便测试一下在栈上分配的内存块的访问性能。
第三、64位整数。由于32位系统的成功，我们已经习惯了使用32位整数（int）。现在64位系统逐渐普及，我们得为此做好准备。对于指针操作时经常要用到的偏移量增减运算来说，是使用32位整数，还是使用64位整数，或写两套代码？这需要测试后才能决定。
第四、密封类（sealed）。听说密封类能提高性能，我们可以测试一下。有两种测试方式，一是为原来的派生类增加sealed关键字，二是专门另外写一个密封类。我决定同时使用这两种方法，分别测试其性能。

一、测试代码

　　测试代码如下——

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

namespace TryPointerCall
{
	/// <summary>
	/// 指针操作接口
	/// </summary>
	public interface IPointerCall
	{
		/// <summary>
		/// 指针操作
		/// </summary>
		/// <param name="p">源指针</param>
		/// <returns>修改后指针</returns>
		unsafe byte* Ptr(byte* p);
	}

#region 非泛型
	/// <summary>
	/// [非泛型] 指针操作基类
	/// </summary>
	public abstract class PointerCall : IPointerCall
	{
		public abstract unsafe byte* Ptr(byte* p);
	}

	/// <summary>
	/// [非泛型] 指针操作派生类: 指针+偏移
	/// </summary>
	public sealed class PointerCallAdd : PointerCall
	{
		/// <summary>
		/// 偏移值
		/// </summary>
		public int Offset = 0;

		public override unsafe byte* Ptr(byte* p)
		{
			return unchecked(p + Offset);
		}
	}

	/// <summary>
	/// [非泛型] 指针操作密封类: 指针+偏移
	/// </summary>
	public sealed class SldPointerCallAdd : IPointerCall
	{
		/// <summary>
		/// 偏移值
		/// </summary>
		public int Offset = 0;

		public unsafe byte* Ptr(byte* p)
		{
			return unchecked(p + Offset);
		}
	}

	/// <summary>
	/// [非泛型] 指针操作结构体: 指针+偏移
	/// </summary>
	public struct SPointerCallAdd : IPointerCall
	{
		/// <summary>
		/// 偏移值
		/// </summary>
		public int Offset;

		public unsafe byte* Ptr(byte* p)
		{
			return unchecked(p + Offset);
		}
	}

#endregion

#region 泛型
	// !!! C#不支持将整数类型作为泛型约束 !!!
	//public abstract class GenPointerCall<T> : IPointerCall where T: int, long
	//{
	//    public abstract unsafe byte* Ptr(byte* p);

	//    void d()
	//    {
	//    }
	//}

#endregion

#region 全部测试
	/// <summary>
	/// 指针操作的一些常用函数
	/// </summary>
	public static class PointerCallTool
	{
#if DEBUG
		private const int CountLoop = 10000000;	// 循环次数
#else
		private const int CountLoop = 200000000;	// 循环次数
#endif

		/// <summary>
		/// 调用指针操作
		/// </summary>
		/// <typeparam name="T">具有IPointerCall接口的类型。</typeparam>
		/// <param name="ptrcall">调用者</param>
		/// <param name="p">源指针</param>
		/// <returns>修改后指针</returns>
		public static unsafe byte* CallPtr<T>(T ptrcall, byte* p) where T : IPointerCall
		{
			return ptrcall.Ptr(p);
		}
		public static unsafe byte* CallClassPtr<T>(T ptrcall, byte* p) where T : PointerCall
		{
			return ptrcall.Ptr(p);
		}
		public static unsafe byte* CallRefPtr<T>(ref T ptrcall, byte* p) where T : IPointerCall
		{
			return ptrcall.Ptr(p);
		}

		// C#不允许将特定的结构体作为泛型约束。所以对于结构体只能采用上面那个方法，通过IPointerCall接口进行约束，可能会造成性能下降。
		//public static unsafe byte* SCallPtr<T>(T ptrcall, byte* p) where T : SPointerCallAdd
		//{
		//    return ptrcall.Ptr(p);
		//}

		private static int TryIt_Static_Offset;
		private static unsafe byte* TryIt_Static_Ptr(byte* p)
		{
			return unchecked(p + TryIt_Static_Offset);
		}
		/// <summary>
		/// 执行测试 - 静态调用
		/// </summary>
		/// <param name="sOut">文本输出</param>
		private static unsafe void TryIt_Static(StringBuilder sOut, int CountLoop)
		{
			TryIt_Static_Offset = 1;

			// == 性能测试 ==
			byte* p = null;
			Stopwatch sw = new Stopwatch();
			int i;
			unchecked
			{
				#region 测试
				// 硬编码.栈变量
				int iOffset = 1;
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = p + iOffset;
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("硬编码.栈变量:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 硬编码.栈分配
				int* pOffset = stackalloc int[1];
				pOffset[0] = 1;
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = p + pOffset[0];
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("硬编码.栈分配:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 硬编码.静态
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = p + TryIt_Static_Offset;
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("硬编码.静态:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 静态调用
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = TryIt_Static_Ptr(p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("静态调用:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				#endregion // 测试
			}
		}

		private static long TryIt_Static64_Offset;
		private static unsafe byte* TryIt_Static64_Ptr(byte* p)
		{
			return unchecked(p + TryIt_Static64_Offset);
		}
		/// <summary>
		/// 执行测试 - 静态调用
		/// </summary>
		/// <param name="sOut">文本输出</param>
		private static unsafe void TryIt_Static64(StringBuilder sOut, int CountLoop)
		{
			TryIt_Static64_Offset = 1;

			// == 性能测试 ==
			byte* p = null;
			Stopwatch sw = new Stopwatch();
			int i;
			unchecked
			{
				#region 测试
				// 硬编码.栈变量
				long iOffset = 1;
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = p + iOffset;
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("64硬编码.栈变量:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 硬编码.栈分配
				long* pOffset = stackalloc long[1];
				pOffset[0] = 1;
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = p + pOffset[0];
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("64硬编码.栈分配:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 硬编码.静态
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = p + TryIt_Static64_Offset;
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("64硬编码.静态:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 静态调用
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = TryIt_Static64_Ptr(p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("64静态调用:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				#endregion // 测试
			}
		}

		/// <summary>
		/// 执行测试 - 非泛型
		/// </summary>
		/// <param name="sOut">文本输出</param>
		private static unsafe void TryIt_NoGen(StringBuilder sOut, int CountLoop)
		{
			// 创建
			PointerCallAdd pca = new PointerCallAdd();
			SldPointerCallAdd dpca = new SldPointerCallAdd();
			SPointerCallAdd spca;
			pca.Offset = 1;
			spca.Offset = 1;

			// 转型
			PointerCall pca_base = pca;
			IPointerCall pca_itf = pca;
			IPointerCall dpca_itf = dpca;
			IPointerCall spca_itf = spca;

			// == 性能测试 ==
			byte* p = null;
			Stopwatch sw = new Stopwatch();
			int i;
			unchecked
			{
				#region 调用
				#region 直接调用
				// 调用派生类
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = pca.Ptr(p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("调用派生类:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 调用密封类
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = dpca.Ptr(p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("调用密封类:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 调用结构体
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = spca.Ptr(p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("调用结构体:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				#endregion	// 直接调用

				#region 间接调用
				// 调用基类
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = pca_base.Ptr(p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("调用基类:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 调用派生类的接口
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = pca_itf.Ptr(p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("调用派生类的接口:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 调用密封类的接口
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = dpca_itf.Ptr(p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("调用密封类的接口:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 调用结构体的接口
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = spca_itf.Ptr(p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("调用结构体的接口:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				#endregion	// 间接调用

				#endregion	// 调用

				#region 泛型调用

				#region 泛型基类约束
				// 基类泛型调用派生类
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = CallClassPtr(pca, p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("基类泛型调用派生类:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 基类泛型调用基类
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = CallClassPtr(pca_base, p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("基类泛型调用基类:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				#endregion // 泛型基类约束

				#region 泛型接口约束 - 直接调用
				// 接口泛型调用派生类
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = CallPtr(pca, p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("接口泛型调用派生类:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 接口泛型调用密封类
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = CallPtr(dpca, p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("接口泛型调用密封类:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 接口泛型调用结构体
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = CallPtr(spca, p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("接口泛型调用结构体:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 接口泛型调用结构体引用
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = CallRefPtr(ref spca, p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("接口泛型调用结构体引用:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				#endregion	// 直接调用

				#region 间接调用
				// 接口泛型调用基类
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = CallPtr(pca_base, p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("接口泛型调用基类:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 接口泛型调用派生类的接口
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = CallPtr(pca_itf, p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("接口泛型调用派生类的接口:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 接口泛型调用密封类的接口
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = CallPtr(dpca_itf, p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("接口泛型调用密封类的接口:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				// 接口泛型调用结构体的接口
				sw.Reset();
				sw.Start();
				for (i = 0; i < CountLoop; ++i)
				{
					p = CallPtr(spca_itf, p);
				}
				sw.Stop();
				sOut.AppendLine(string.Format("接口泛型调用结构体的接口:\t{0}", sw.ElapsedMilliseconds));

				#endregion	// 间接调用

				#endregion	// 泛型调用

			}
		}

		/// <summary>
		/// 执行测试 - 泛型
		/// </summary>
		/// <param name="sOut">文本输出</param>
		private static unsafe void TryIt_Gen(StringBuilder sOut, int CountLoop)
		{
			// !!! C#不支持将整数类型作为泛型约束 !!!
		}

		/// <summary>
		/// 执行测试
		/// </summary>
		public static string TryIt()
		{
			StringBuilder sOut = new StringBuilder();
			sOut.AppendLine("== PointerCallTool.TryIt() ==");
			TryIt_Static(sOut, CountLoop);
			TryIt_Static64(sOut, CountLoop);
			TryIt_NoGen(sOut, CountLoop);
			TryIt_Gen(sOut, CountLoop);
			sOut.AppendLine();
			return sOut.ToString();
		}

		/// <summary>
		/// 执行测试 - static
		/// </summary>
		public static string TryItStatic()
		{
			StringBuilder sOut = new StringBuilder();
			int cnt = CountLoop * 10;
			sOut.AppendLine("== PointerCallTool.TryItStatic() ==");
			TryIt_Static(sOut, cnt);
			TryIt_Static64(sOut, cnt);
			sOut.AppendLine();
			return sOut.ToString();
		}
	}
#endregion

}

二、测试环境

　　编译器——
VS2005：Visual Studio 2005 SP1。
VS2010：Visual Studio 2010 SP1。
采用上述编译器编译为Release版程序，最大速度优化。

　　机器A——
HP CQ42-153TX
处理器：Intel Core i5-430M(2.26GHz, Turbo 2.53GHz, 3MB L3)
内存容量：2GB (DDR3-1066)


　　机器B——
DELL Latitude E6320 
处理器：Intel i3-2310M(2.1GHz, 3MB L3)
内存容量：4GB (DDR3-1333，双通道)


　　测试环境——
A_2005：机器A，VS2005，Window 7 32位。
A_2010：机器A，VS2010，Window 7 32位。
B_2005：机器B，VS2005，Window XP SP3 32位。
B_2010：机器B，VS2010，Window XP SP3 32位。
B64_2005：机器B，VS2005，Window 7 64位（x64）。
B64_2010：机器B，VS2010，Window 7 64位（x64）。

三、硬编码与静态调用 的测试结果（栈变量、栈分配、64位整数）

　　因为硬编码与静态调用很可能会被执行函数展开优化，速度明显比其他测试项目要快。所我另外写了一个测试函数（TryItStatic），将循环次数设为原来的10倍。


　　测试结果如下（单位：毫秒）——

模式	A_2005	A_2010	B_2005	B_2010	B64_2005	B64_2010
硬编码.栈变量:	1608	1623	957	966	960	959
硬编码.栈分配:	1612	1617	1073	957	961	960
硬编码.静态:	1609	1613	957	971	961	960
静态调用:	1608	1611	1063	958	961	963
64硬编码.栈变量:	1610	1617	967	957	959	1010
64硬编码.栈分配:	1610	1619	1034	957	960	1012
64硬编码.静态:	1609	1618	999	996	957	1010
64静态调用:	1610	1615	959	1002	957	7696

　　结果分析——
先看32位与64位的区别。发现在大多数情况，32位与64位的速度是一样的。唯一就是64位整数运算代码在“64位平台+VS2010”上运行时，速度比在32位下还慢，尤其是静态调用慢了好几倍，硬编码代码的速度也有所下降。真的很奇怪，既然运行的是同一份程序，为什么64位比32位还慢，难道是.Net 4.0在x64平台上的即时编译器的问题？不解。
栈变量、栈分配、静态变量的访问速度几乎一致，看来可以放心地随意使用。


　　看来以后写指针操作代码时，只写64位整数版就行了。

四、密封类 的测试结果

　　测试结果如下（单位：毫秒）——
模式 A_2005 A_2010 B_2005 B_2010 B64_2005B64_2010
硬编码.栈变量: 162 162 95 95 96 95
硬编码.栈分配: 161 161 95 95 95 97
硬编码.静态: 161 165 97 95 97 95
静态调用: 161 163 95 95 96 97
64硬编码.栈变量: 161161989596 100
64硬编码.栈分配: 160162959795 100
64硬编码.静态: 162 162 95 97 95 100
64静态调用: 161 161 95 95 97 770
调用派生类: 563 568 670 668 676 580
调用密封类: 161 162 101 103 102 767
调用结构体: 163 161 116 102 191 772
调用基类: 566 573 668 660 675 577
调用派生类的接口: 727 731 767 862 862 770
调用密封类的接口: 721 730 957 862 870 771
调用结构体的接口: 104511341318134013441253
基类泛型调用派生类: 910795127478912561287
基类泛型调用基类: 902 785 1092 676 1346 1250
接口泛型调用派生类: 1407733163486216331633
接口泛型调用密封类: 1405808173395617431638
接口泛型调用结构体: 5661606711018641250
接口泛型调用结构体引用: 48016170098769961
接口泛型调用基类: 1409728176776416311635
接口泛型调用派生类的接口: 1410727170296617301634
接口泛型调用密封类的接口: 1402808171995816351637
接口泛型调用结构体的接口: 161711281859149922082117

　　将测试结果重新排版一下，突出不同实现方法的速度区别——

环境	分类	基类	派生类	密封类	结构体	结构体的引用
A_2005	直接调用	566	563	161	163
	接口调用		727	721	1045
	基类约束泛型调用	902	910
	接口约束泛型调用		1407	1405	566	480
	接口约束泛型调用接口	1409	1410	1402	1617
A_2010	直接调用	573	568	162	161
	接口调用		731	730	1134
	基类约束泛型调用	785	795
	接口约束泛型调用		733	808	160	161
	接口约束泛型调用接口	728	727	808	1128
B_2005	直接调用	668	670	101	116
	接口调用		767	957	1318
	基类约束泛型调用	1092	1274
	接口约束泛型调用		1634	1733	671	700
	接口约束泛型调用接口	1767	1702	1719	1859
B_2010	直接调用	660	668	103	102
	接口调用		862	862	1340
	基类约束泛型调用	676	789
	接口约束泛型调用		862	956	101	98
	接口约束泛型调用接口	764	966	958	1499
B64_2005	直接调用	675	676	102	191
	接口调用		862	870	1344
	基类约束泛型调用	1346	1256
	接口约束泛型调用		1633	1743	864	769
	接口约束泛型调用接口	1631	1730	1635	2208
B64_2010	直接调用	577	580	767	772
	接口调用		770	771	1253
	基类约束泛型调用	1250	1287
	接口约束泛型调用		1633	1638	1250	961
	接口约束泛型调用接口	1635	1634	1637	2117

　　综合来看，密封类的性能最好，在大多数测试项目中名列前茅——
“直接调用”时能被内联（inline）优化，与“硬编码”一样快，快于派生类。
“接口调用”、“泛型调用接口”时与派生类性能一致，快于结构体的“接口调用”。
唯一就是在“泛型调用”时，落后于结构体，与派生类差不多稍微慢一点。
再就是奇怪的“64位平台+VS2010”问题，密封类、结构体在直接调用时，还不如派生类。


　　最后总结一下可能会被内联优化的调用类型——
32位平台+VS2005：调用密封类、调用结构体。
32位平台+VS2010：调用密封类、调用结构体、接口约束泛型调用结构体。
64位平台+VS2005：调用密封类、调用结构体。
64位平台+VS2010：（无）。




（完）



测试程序exe——
http://115.com/file/e6ymd5fe
http://download.csdn.net/detail/zyl910/3619643


源代码下载——
http://115.com/file/aqz167n9
http://download.csdn.net/detail/zyl910/3619647

目录——
C#类与结构体究竟谁快——各种函数调用模式速度评测：http://www.cnblogs.com/zyl910/archive/2011/09/19/2186623.html
再探C#类与结构体究竟谁快——考虑栈变量、栈分配、64位整数、密封类：http://www.cnblogs.com/zyl910/archive/2011/09/20/2186622.html
三探C#类与结构体究竟谁快——MSIL（微软中间语言）解读：http://www.cnblogs.com/zyl910/archive/2011/09/24/2189403.html
四探C#类与结构体究竟谁快——跨程序集（assembly）调用：http://www.cnblogs.com/zyl910/archive/2011/10/01/2197844.html