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c# - 为什么一个简单的 get-statement 这么慢？

coder 2024-05-30 原文

几年前，我在学校接到了一项任务，我必须并行化 Raytracer。
这是一项简单的任务，我非常喜欢从事这项工作。

今天，我想对 raytracer 进行分析，看看是否可以让它运行得更快(无需完全修改代码)。在分析过程中，我注意到一些有趣的事情:

    // Sphere.Intersect
    public bool Intersect(Ray ray, Intersection hit)
    {
        double a = ray.Dir.x * ray.Dir.x +
                   ray.Dir.y * ray.Dir.y +
                   ray.Dir.z * ray.Dir.z;
        double b = 2 * (ray.Dir.x * (ray.Pos.x - Center.x) +
                        ray.Dir.y * (ray.Pos.y - Center.y) +
                        ray.Dir.z * (ray.Pos.z - Center.z));
        double c = (ray.Pos.x - Center.x) * (ray.Pos.x - Center.x) +
                   (ray.Pos.y - Center.y) * (ray.Pos.y - Center.y) +
                   (ray.Pos.z - Center.z) * (ray.Pos.z - Center.z) - Radius * Radius;

        // more stuff here
    }

根据分析器，25% 的 CPU 时间花在了 get_Dir 和 get_Pos 上，这就是为什么我决定按以下方式优化代码: 

    // Sphere.Intersect
    public bool Intersect(Ray ray, Intersection hit)
    {
        Vector3d dir = ray.Dir, pos = ray.Pos;
        double xDir = dir.x, yDir = dir.y, zDir = dir.z,
               xPos = pos.x, yPos = pos.y, zPos = pos.z,
               xCen = Center.x, yCen = Center.y, zCen = Center.z;

        double a = xDir * xDir +
                   yDir * yDir +
                   zDir * zDir;
        double b = 2 * (xDir * (xPos - xCen) +
                        yDir * (yPos - yCen) +
                        zDir * (zPos - zCen));
        double c = (xPos - xCen) * (xPos - xCen) +
                   (yPos - yCen) * (yPos - yCen) +
                   (zPos - zCen) * (zPos - zCen) - Radius * Radius;

        // more stuff here
    }

结果惊人。

在原始代码中，使用默认参数运行光线追踪器(创建一个只有直射闪电且没有 AA 的 1024x1024 图像)将花费 ~88 秒。
在修改后的代码中，同样的操作将花费不到 60 秒。
只需对代码进行一点修改，我就实现了约 1.5 的加速。

起初，我以为 Ray.Dir 和 Ray.Pos 的 getter 在幕后做了一些事情，这会减慢程序的速度。

以下是两者的 getter:

    public Vector3d Pos
    {
        get { return _pos; }
    }

    public Vector3d Dir
    {
        get { return _dir; }
    }

因此，两者都返回一个 Vector3D，仅此而已。

我真的很奇怪，为什么调用 getter 会比直接访问变量花费更长的时间。

是不是因为CPU缓存了变量？或者可能重复调用这些方法的开销加起来了？或者也许 JIT 比前者更好地处理后一种情况？或者可能还有其他我没有看到的东西？

如有任何见解，我们将不胜感激。

编辑:

正如@MatthewWatson 所建议的，我使用了一个StopWatch 来为调试器之外的发布版本计时。为了消除噪音，我多次运行测试。因此，前者代码需要 ~21 秒(在 20.7 到 20.9 之间)完成，而后者只需要 ~19 秒(在 19 和 19.2 之间)。
差异已经变得可以忽略不计，但它仍然存在。

最佳答案

介绍

我敢打赌，原始代码之所以慢得多，是因为 C# 中涉及结构类型属性的怪癖。这并不完全直观，但这种类型的属性本质上很慢。为什么？因为结构不是通过引用传递的。所以为了访问ray.Dir.x，你必须

  1. 加载局部变量ray。
  2. 调用get_Dir 并将结果存储在一个临时变量中。这涉及复制整个结构，即使只使用了字段“x”。
  3. 从临时副本访问字段 x。

查看原始代码，get 访问器被调用了 18 次。这是一个巨大的浪费，因为这意味着整个结构体被整体复制了 18 次。在您的优化代码中，只有两个副本 - Dir 和 Pos 都只被调用一次；进一步访问这些值仅包括上面的第三步:

  1. 从临时副本访问字段 x。

总而言之，结构和属性不能并存。

为什么 C# 会以这种方式处理结构属性？

这与在 C# 中结构是值类型这一事实有关。您传递的是值本身，而不是指向该值的指针。

为什么编译器无法识别 get 访问器只是返回一个字段，并完全绕过该属性？

在 Debug模式下，会跳过此类优化以提供更好的调试体验。即使在 Release模式下，您也会发现大多数抖动者并不经常这样做。我不知道为什么，但我相信这是因为该字段并不总是单词对齐的。现代 CPU 具有奇怪的性能要求。 :-)

关于c# - 为什么一个简单的 get-statement 这么慢？，我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题： https://stackoverflow.com/questions/16779909/

c#get-statementcoderayCentergetter

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