深入探讨用位掩码代替分支（5）：C#2010速度测试

　　前面我们测试了C语言这样纯编译型语言。那么对于像C#这样由虚拟机执行的语言，“位掩码代替分支”法是否也有效果呢？于是本文对此进行探讨。

一、移植要点

　　C#的语法与C语言很相像，多数代码可以直接用，但要注意以下几点。

1.1 unsafe——不安全上下文

　　C#虽然支持指针，但必须在unsafe——不安全上下文 中才能使用。

　　要使用unsafe，必须先配置项目属性，允许不安全代码——
1.项目->属性，打开项目的属性页。
2.点击左侧“生成”，切换到“生成”页。
3.点击上侧的“配置”组合框，选择“所有配置(C)”。
4.勾选“常规”中的“允许不安全代码(F)”。
5.点击工具栏上的“保存”按钮。

　　unsafe有两种用法——
1.unsafe方法。在函数的声明中增加“unsafe”关键字。
2.unsafe区块。在函数内，使用“unsafe{ ... }”标识不安全代码的区块。

　　当函数有指针参数时，只能使用第1种方法。
　　例如，C语言中f0_if函数的声明为——

void f0_if(BYTE* pbufD, const signed short* pbufS, int cnt)

　　而在C#中，该函数的声明应改为——

static unsafe void f0_if(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)

　　因为f0_if不会修改对象成员，所以应加上“static”关键字表示它是静态函数，而不是对象的成员方法。

1.2 unchecked——不检查整数溢出

　　在C语言中不会检查整数溢出，正好被我们的位运算算法所利用。而在C#中，可以配置整数溢出检查的，具体配置方法为——
1.项目->属性，打开项目的属性页。
2.点击左侧“生成”，切换到“生成”页。
3.将滚动条拉到最下面，点击“输出”中的“高级”，打开“高级生成设置”对话框。
4.在“常规”中有一个“检查运算上溢/下溢(K)”。

　　若配置了“检查运算上溢/下溢(K)”，当整数溢出时会抛出异常，打断程序流程。这对我们的位运算算法来说是不利的。怎么办呢？
　　应使用unchecked关键字来取消整数溢出检查。
　　unchecked关键字有两种用法，一种是作为区块，一种是作为函数。
　　在我们的测试函数中有大量的整数运算，使用unchecked区块更加方便。

1.3 类型检查更严格

　　C#的类型检查比C语言更加严格。所以得增加更多的强制类型转换，否则编译器会发出警告甚至报错。

　　例如这一行C语言代码——

pD[0] = (pS[0]<0) ? 0 : ( (pS[0]>255) ? 255 : (BYTE)pS[0] );

　　在C#中，得写成——

pD[0] = (pS[0] < 0) ? (byte)0 : ((pS[0] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[0]);

　　结合以上3点，将f0_if函数转为C#语法——

        // 用if分支做饱和处理
        static unsafe void f0_if(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
        {
            short* pS = pbufS;
            byte* pD = pbufD;
            int i;
            for (i = 0; i < cnt; ++i)
            {
                // 分别对4个通道做饱和处理
                pD[0] = (pS[0] < 0) ? (byte)0 : ((pS[0] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[0]);
                pD[1] = (pS[1] < 0) ? (byte)0 : ((pS[1] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[1]);
                pD[2] = (pS[2] < 0) ? (byte)0 : ((pS[2] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[2]);
                pD[3] = (pS[3] < 0) ? (byte)0 : ((pS[3] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[3]);
                // next
                pS += 4;
                pD += 4;
            }
        }

　　其他测试函数也可以这样处理。

1.4 C#中不支持宏

　　在C#中不支持宏，所以在移植f2_neg、f3_sar函数时，得手动实现代码。

　　虽然可以将LIMITSU_BYTE这些宏改写为函数，但函数调用开销会影响性能。于是增加了f2_negB、f3_sarB这两个测试函数来验证这一论断。

1.5 bool转整数

　　在C语言中，逻辑比较的结果是整型，这样有助于位运算算法。
　　但在C#，单独设计了bool类型，与整型隔离。甚至不允许强制转换，只能用Convert.ToInt16方法将bool转整数。

　　例如将f2_neg函数转为C#语法——

        // 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码
        static unsafe void f2_neg(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
        {
            unchecked
            {
                short* pS = pbufS;
                byte* pD = pbufD;
                int i;
                for (i = 0; i < cnt; ++i)
                {
                    // 分别对4个通道做饱和处理
                    pD[0] = (byte)(pS[0] & -Convert.ToInt16(pS[0] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[0] >= 256));
                    pD[1] = (byte)(pS[1] & -Convert.ToInt16(pS[1] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[1] >= 256));
                    pD[2] = (byte)(pS[2] & -Convert.ToInt16(pS[2] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[2] >= 256));
                    pD[3] = (byte)(pS[3] & -Convert.ToInt16(pS[3] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[3] >= 256));
                    // next
                    pS += 4;
                    pD += 4;
                }
            }
        }

 　　Convert.ToInt16会带来函数调用开销，影响性能。而且，貌似它内部是采用分支实现bool到整数的转换的，又带了跳转堵塞流水线的问题。

1.6 delegate——委托

　　虽然C#不支持函数指针，但可以使用委托。
　　C语言中，我们是这样定义测试函数的类型的——

typedef void (*TESTPROC)(BYTE* pbufD, const signed short* pbufS, int cnt);

　　在C#中改为委托——

unsafe delegate void TESTPROC(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt);

　　因含有指针参数，所以得加上unsafe关键字。而且必须处于unsafe区块才能使用该委托，例如——

            // 进行测试
            unsafe
            {
                runTest("f0_if", f0_if);
                runTest("f1_min", f1_min);
                runTest("f2_neg", f2_neg);
                runTest("f2_negB", f2_negB);
                runTest("f3_sar", f3_sar);
                runTest("f3_sarB", f3_sarB);
            }

1.7 fixed——绑定指针

　　在C#中，不能像C语言那样随时可以用&运算符获取地址。得使用fixed语句来绑定变量、获取指针。MSDN对它的说明——
http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/f58wzh21.aspx
fixed 语句禁止垃圾回收器重定位可移动的变量。 fixed 语句只在不安全的上下文中是允许的。 Fixed 还可用于创建固定大小缓冲区。
fixed 语句设置指向托管变量的指针，并在执行该语句期间“固定”此变量。 如果没有 fixed 语句，则指向可移动托管变量的指针的作用很小，因为垃圾回收可能不可预知地重定位变量。 C# 编译器只允许在 fixed 语句中分配指向托管变量的指针。

　　在这里，我们利用fixed语句来获得bufS、bufD这两个缓冲区的指针。注意它们类型不同，所以得嵌套使用fixed语句。
　　将f2_neg函数转为C#语法——

        // 进行测试
        static unsafe void runTest(string szname, TESTPROC proc)
        {
            int i, j;
            Stopwatch stw = new Stopwatch();    // 执行时间
            // 绑定指针
            fixed (short* pbufS = &bufS[0])
            {
                fixed (byte* pbufD = &bufD[0])
                {
                    // 开始测试
                    for (i = 1; i <= 3; ++i)    // 多次测试
                    {
                        stw.Reset();
                        stw.Start();
                        // main
                        for (j = 1; j <= 4000; ++j)    // 重复运算几次延长时间，避免计时精度问题
                        {
                            proc(pbufD, pbufS, DATASIZE);
                        }
                        // show
                        stw.Stop();
                        //_tprintf(_T("%s[%d]:\t%u\n"), szname, i, tm1);
                        Console.WriteLine("{0}[{1}]:\t{2}", szname, i, stw.ElapsedMilliseconds);

                    }
                }
            }

        }

1.8 平台配置

　　在VS2010中，C#支持多种平台。本文将测试其中三种——Any、x86、x64。
　　点击菜单栏的 生成->配置管理器，打开“配置管理器”对话框。C#的默认平台是“x86”，新建平台“Any”、“x64”。

　　还要注意配置好输出路径，别发生冲突。
1.项目->属性，打开项目的属性页。
2.点击左侧“生成”，切换到“生成”页。
3.点击上侧的“配置”组合框，切换配置。
4.点击上侧的“平台”组合框，切换平台。
5.修改“输出”中的“输出路径”。
6.重复第3步至第5步，直到配置好所有平台和配置。
7.点击工具栏上的“保存”按钮。

　　建议将输出路径配置为——
Any：bin\Debug\，bin\Release\
x86：bin\x86\Debug\，bin\x86\Release\
x64：bin\x64\Debug\，bin\x64\Release\

　　请参考——
http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms185328.aspx
如何：配置项目以面向目标平台

1.9 平台判断

　　虽然C#中提供了Environment.Is64BitProcess来判断WOW64。但是现在有3种平台，该方法不适合。 这时最好使用条件编译来做平台判断。
　　先在项目属性页中配置条件编译符号——
Any：（无）
x86：ISX86
x64：ISX64

　　然后在代码中使用条件编译语句——

#if (ISX86)
            string sBitCode = "x86";
#elif (ISX64)
            string sBitCode = "x64";
#else
            string sBitCode = "any";
#endif
            Console.Write("== noif:C#2010({0}) on {1}bit ==", sBitCode, nBitSys);

二、全部代码

　　全部代码——

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

namespace noifCS2010
{
    /// <summary>
    /// 用位掩码代替分支：C#2010性能测试
    /// </summary>
    /// <remarks>Author: zyl910</remarks>
    class CnoifCS2010
    {
        const int DATASIZE = 16384;    // 128KB / (sizeof(signed short) * 4)

        static short[] bufS = new short[DATASIZE * 4];    // 源缓冲区。64位的颜色（4通道，每通道16位）
        static byte[] bufD = new byte[DATASIZE * 4];    // 目标缓冲区。32位的颜色（4通道，每通道8位）

        unsafe delegate void TESTPROC(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt);

        // 用if分支做饱和处理
        static unsafe void f0_if(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
        {
            short* pS = pbufS;
            byte* pD = pbufD;
            int i;
            for (i = 0; i < cnt; ++i)
            {
                // 分别对4个通道做饱和处理
                pD[0] = (pS[0] < 0) ? (byte)0 : ((pS[0] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[0]);
                pD[1] = (pS[1] < 0) ? (byte)0 : ((pS[1] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[1]);
                pD[2] = (pS[2] < 0) ? (byte)0 : ((pS[2] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[2]);
                pD[3] = (pS[3] < 0) ? (byte)0 : ((pS[3] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[3]);
                // next
                pS += 4;
                pD += 4;
            }
        }

        // 用min、max饱和处理
        static unsafe void f1_min(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
        {
            short* pS = pbufS;
            byte* pD = pbufD;
            int i;
            for (i = 0; i < cnt; ++i)
            {
                // 分别对4个通道做饱和处理
                pD[0] = (byte)Math.Min(Math.Max((byte)0, pS[0]), (byte)255);
                pD[1] = (byte)Math.Min(Math.Max((byte)0, pS[1]), (byte)255);
                pD[2] = (byte)Math.Min(Math.Max((byte)0, pS[2]), (byte)255);
                pD[3] = (byte)Math.Min(Math.Max((byte)0, pS[3]), (byte)255);
                // next
                pS += 4;
                pD += 4;
            }
        }

        // 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码
        static unsafe void f2_neg(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
        {
            unchecked
            {
                short* pS = pbufS;
                byte* pD = pbufD;
                int i;
                for (i = 0; i < cnt; ++i)
                {
                    // 分别对4个通道做饱和处理
                    pD[0] = (byte)(pS[0] & -Convert.ToInt16(pS[0] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[0] >= 256));
                    pD[1] = (byte)(pS[1] & -Convert.ToInt16(pS[1] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[1] >= 256));
                    pD[2] = (byte)(pS[2] & -Convert.ToInt16(pS[2] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[2] >= 256));
                    pD[3] = (byte)(pS[3] & -Convert.ToInt16(pS[3] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[3] >= 256));
                    // next
                    pS += 4;
                    pD += 4;
                }
            }
        }

        static byte LIMITSU_BYTE(short n)
        {
            unchecked
            {
                return (byte)(n & -Convert.ToInt16(n >= 0) | -Convert.ToInt16(n >= 256));
            }
        }

        // 调用LIMITSU_BYTE函数
        static unsafe void f2_negB(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
        {
            unchecked
            {
                short* pS = pbufS;
                byte* pD = pbufD;
                int i;
                for (i = 0; i < cnt; ++i)
                {
                    // 分别对4个通道做饱和处理
                    pD[0] = LIMITSU_BYTE(pS[0]);
                    pD[1] = LIMITSU_BYTE(pS[1]);
                    pD[2] = LIMITSU_BYTE(pS[2]);
                    pD[3] = LIMITSU_BYTE(pS[3]);
                    // next
                    pS += 4;
                    pD += 4;
                }
            }
        }

        // 用位掩码做饱和处理.用求负生成掩码
        static unsafe void f3_sar(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
        {
            unchecked
            {
                short* pS = pbufS;
                byte* pD = pbufD;
                int i;
                for (i = 0; i < cnt; ++i)
                {
                    // 分别对4个通道做饱和处理
                    pD[0] = (byte)(((ushort)pS[0] | ((short)(255 - pS[0]) >> 15)) & ~(pS[0] >> 15));
                    pD[1] = (byte)(((ushort)pS[1] | ((short)(255 - pS[1]) >> 15)) & ~(pS[1] >> 15));
                    pD[2] = (byte)(((ushort)pS[2] | ((short)(255 - pS[2]) >> 15)) & ~(pS[2] >> 15));
                    pD[3] = (byte)(((ushort)pS[3] | ((short)(255 - pS[3]) >> 15)) & ~(pS[3] >> 15));
                    // next
                    pS += 4;
                    pD += 4;
                }
            }
        }

        static byte LIMITSW_BYTE(short n)
        {
            unchecked
            {
                return (byte)(((ushort)n | ((short)(255 - n) >> 15)) & ~(n >> 15));
            }
        }

        // 调用LIMITSW_BYTE函数
        static unsafe void f3_sarB(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
        {
            unchecked
            {
                short* pS = pbufS;
                byte* pD = pbufD;
                int i;
                for (i = 0; i < cnt; ++i)
                {
                    // 分别对4个通道做饱和处理
                    pD[0] = LIMITSW_BYTE(pS[0]);
                    pD[1] = LIMITSW_BYTE(pS[1]);
                    pD[2] = LIMITSW_BYTE(pS[2]);
                    pD[3] = LIMITSW_BYTE(pS[3]);
                    // next
                    pS += 4;
                    pD += 4;
                }
            }
        }

        // 进行测试
        static unsafe void runTest(string szname, TESTPROC proc)
        {
            int i, j;
            Stopwatch stw = new Stopwatch();    // 执行时间
            // 绑定指针
            fixed (short* pbufS = &bufS[0])
            {
                fixed (byte* pbufD = &bufD[0])
                {
                    // 开始测试
                    for (i = 1; i <= 3; ++i)    // 多次测试
                    {
                        stw.Reset();
                        stw.Start();
                        // main
                        for (j = 1; j <= 4000; ++j)    // 重复运算几次延长时间，避免计时精度问题
                        {
                            proc(pbufD, pbufS, DATASIZE);
                        }
                        // show
                        stw.Stop();
                        //_tprintf(_T("%s[%d]:\t%u\n"), szname, i, tm1);
                        Console.WriteLine("{0}[{1}]:\t{2}", szname, i, stw.ElapsedMilliseconds);

                    }
                }
            }

        }

        static void Main(string[] args)
        {
            int i;    // 循环变量

            //Console.WriteLine("Hello the world!");
            int nBitSys = (Environment.Is64BitOperatingSystem) ? 64 : 32;
            //int nBitCode = (Environment.Is64BitProcess) ? 64 : 32;
            //Console.Write("== noif:C#2010({0}) on {1}bit ==", nBitCode, nBitSys);
#if (ISX86)
            string sBitCode = "x86";
#elif (ISX64)
            string sBitCode = "x64";
#else
            string sBitCode = "any";
#endif
            Console.Write("== noif:C#2010({0}) on {1}bit ==", sBitCode, nBitSys);

            // 初始化
            Random rnd = new Random();
            for (i = 0; i < DATASIZE*4; ++i)
            {
                bufS[i] = (short)((rnd.Next() & 0x1FF) - 128);    // 使数值在 [-128, 383] 区间
            }

            // 准备开始。可以将将进程优先级设为实时
            if (args.Length <= 0)
            {
                Console.Write("<Press any key to continue>");
                Console.ReadKey(true);
            }
            Console.WriteLine();

            // 进行测试
            unsafe
            {
                runTest("f0_if", f0_if);
                runTest("f1_min", f1_min);
                runTest("f2_neg", f2_neg);
                runTest("f2_negB", f2_negB);
                runTest("f3_sar", f3_sar);
                runTest("f3_sarB", f3_sarB);
            }

            // 结束前提示
            if (args.Length <= 0)
            {
                Console.Write("<Press any key to exit>");
                Console.ReadKey(true);
            }
            Console.WriteLine();

        }
    }
}

三、编译与测试

　　点击菜单栏的 生成->批生成。生成Release版。

　　生成完毕后，将会有以下三个可执行文件——
bin\Release\noifCS2010.exe
bin\x86\Release\noifCS2010.exe
bin\x64\Release\noifCS2010.exe

　　在32位winXP上的测试结果——

== noif:C#2010(any) on 32bit ==<Press any key to continue>
f0_if[1]:       1935
f0_if[2]:       1922
f0_if[3]:       1921
f1_min[1]:      2139
f1_min[2]:      2144
f1_min[3]:      2147
f2_neg[1]:      2472
f2_neg[2]:      2471
f2_neg[3]:      2458
f2_negB[1]:     2641
f2_negB[2]:     2660
f2_negB[3]:     2640
f3_sar[1]:      562
f3_sar[2]:      559
f3_sar[3]:      557
f3_sarB[1]:     813
f3_sarB[2]:     823
f3_sarB[3]:     822

== noif:C#2010(x86) on 32bit ==<Press any key to continue>
f0_if[1]:       1930
f0_if[2]:       1931
f0_if[3]:       1904
f1_min[1]:      2153
f1_min[2]:      2142
f1_min[3]:      2142
f2_neg[1]:      2437
f2_neg[2]:      2464
f2_neg[3]:      2462
f2_negB[1]:     2641
f2_negB[2]:     2637
f2_negB[3]:     2642
f3_sar[1]:      556
f3_sar[2]:      545
f3_sar[3]:      545
f3_sarB[1]:     822
f3_sarB[2]:     812
f3_sarB[3]:     823

　　在64位win7上的测试结果——

== noif:C#2010(any) on 64bit ==<Press any key to continue>
f0_if[1]:       1902
f0_if[2]:       1871
f0_if[3]:       1871
f1_min[1]:      1919
f1_min[2]:      1918
f1_min[3]:      1916
f2_neg[1]:      2409
f2_neg[2]:      2406
f2_neg[3]:      2405
f2_negB[1]:     2956
f2_negB[2]:     2954
f2_negB[3]:     2954
f3_sar[1]:      652
f3_sar[2]:      651
f3_sar[3]:      650
f3_sarB[1]:     1032
f3_sarB[2]:     1031
f3_sarB[3]:     1031

== noif:C#2010(x86) on 64bit ==<Press any key to continue>
f0_if[1]:       1857
f0_if[2]:       1829
f0_if[3]:       1829
f1_min[1]:      2073
f1_min[2]:      2071
f1_min[3]:      2076
f2_neg[1]:      2340
f2_neg[2]:      2342
f2_neg[3]:      2340
f2_negB[1]:     2540
f2_negB[2]:     2541
f2_negB[3]:     2540
f3_sar[1]:      516
f3_sar[2]:      516
f3_sar[3]:      515
f3_sarB[1]:     766
f3_sarB[2]:     765
f3_sarB[3]:     766

== noif:C#2010(x64) on 64bit ==<Press any key to continue>
f0_if[1]:       1883
f0_if[2]:       1865
f0_if[3]:       1864
f1_min[1]:      1913
f1_min[2]:      1911
f1_min[3]:      1911
f2_neg[1]:      2399
f2_neg[2]:      2396
f2_neg[3]:      2400
f2_negB[1]:     2949
f2_negB[2]:     2949
f2_negB[3]:     2949
f3_sar[1]:      652
f3_sar[2]:      651
f3_sar[3]:      651
f3_sarB[1]:     1031
f3_sarB[2]:     1030
f3_sarB[3]:     1030

　　硬件环境——
CPU：Intel Core i3-2310M, 2100 MHz
内存：DDR3-1066

源码下载——
https://files.cnblogs.com/zyl910/noifCS2010.rar

（建议阅读编译器生成的汇编代码。提示：使用ILSPY）