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 DEBUGprivate const int CountLoop = 10000000;   // 循环次数
#elseprivate 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