三元运算符的速度是if的两倍

我读的是无处不在三元运营商应该是比快,或至少一样的,它的等效if - else块。

但是,我做了以下测试,发现情况并非如此:

Random r = new Random();
int[] array = new int[20000000];
for(int i = 0; i < array.Length; i++)
{
    array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
}
Array.Sort(array);

long value = 0;
DateTime begin = DateTime.UtcNow;

foreach (int i in array)
{
    if (i > 0)
    {
        value += 2;
    }
    else
    {
        value += 3;
    }
    // if-else block above takes on average 85 ms

    // OR I can use a ternary operator:
    // value += i > 0 ? 2 : 3; // takes 157 ms
}
DateTime end = DateTime.UtcNow;
MessageBox.Show("Measured time: " + (end-begin).TotalMilliseconds + " ms.rnResult = " + value.ToString());

我的电脑花了85毫秒来运行上面的代码。 但如果我注释掉if - else块,并取消三元运算符的注释,则需要大约157 ms。

这是为什么发生?


为了回答这个问题,我们将检查X86和X64 JIT为这些情况所产生的汇编代码。

X86,如果/然后

    32:                 foreach (int i in array)
0000007c 33 D2                xor         edx,edx 
0000007e 83 7E 04 00          cmp         dword ptr [esi+4],0 
00000082 7E 1C                jle         000000A0 
00000084 8B 44 96 08          mov         eax,dword ptr [esi+edx*4+8] 
    33:                 {
    34:                     if (i > 0)
00000088 85 C0                test        eax,eax 
0000008a 7E 08                jle         00000094 
    35:                     {
    36:                         value += 2;
0000008c 83 C3 02             add         ebx,2 
0000008f 83 D7 00             adc         edi,0 
00000092 EB 06                jmp         0000009A 
    37:                     }
    38:                     else
    39:                     {
    40:                         value += 3;
00000094 83 C3 03             add         ebx,3 
00000097 83 D7 00             adc         edi,0 
0000009a 42                   inc         edx 
    32:                 foreach (int i in array)
0000009b 39 56 04             cmp         dword ptr [esi+4],edx 
0000009e 7F E4                jg          00000084 
    30:             for (int x = 0; x < iterations; x++)
000000a0 41                   inc         ecx 
000000a1 3B 4D F0             cmp         ecx,dword ptr [ebp-10h] 
000000a4 7C D6                jl          0000007C 

X86,三元

    59:                 foreach (int i in array)
00000075 33 F6                xor         esi,esi 
00000077 83 7F 04 00          cmp         dword ptr [edi+4],0 
0000007b 7E 2D                jle         000000AA 
0000007d 8B 44 B7 08          mov         eax,dword ptr [edi+esi*4+8] 
    60:                 {
    61:                     value += i > 0 ? 2 : 3;
00000081 85 C0                test        eax,eax 
00000083 7F 07                jg          0000008C 
00000085 BA 03 00 00 00       mov         edx,3 
0000008a EB 05                jmp         00000091 
0000008c BA 02 00 00 00       mov         edx,2 
00000091 8B C3                mov         eax,ebx 
00000093 8B 4D EC             mov         ecx,dword ptr [ebp-14h] 
00000096 8B DA                mov         ebx,edx 
00000098 C1 FB 1F             sar         ebx,1Fh 
0000009b 03 C2                add         eax,edx 
0000009d 13 CB                adc         ecx,ebx 
0000009f 89 4D EC             mov         dword ptr [ebp-14h],ecx 
000000a2 8B D8                mov         ebx,eax 
000000a4 46                   inc         esi 
    59:                 foreach (int i in array)
000000a5 39 77 04             cmp         dword ptr [edi+4],esi 
000000a8 7F D3                jg          0000007D 
    57:             for (int x = 0; x < iterations; x++)
000000aa FF 45 E4             inc         dword ptr [ebp-1Ch] 
000000ad 8B 45 E4             mov         eax,dword ptr [ebp-1Ch] 
000000b0 3B 45 F0             cmp         eax,dword ptr [ebp-10h] 
000000b3 7C C0                jl          00000075 

X64,如果/然后

    32:                 foreach (int i in array)
00000059 4C 8B 4F 08          mov         r9,qword ptr [rdi+8] 
0000005d 0F 1F 00             nop         dword ptr [rax] 
00000060 45 85 C9             test        r9d,r9d 
00000063 7E 2B                jle         0000000000000090 
00000065 33 D2                xor         edx,edx 
00000067 45 33 C0             xor         r8d,r8d 
0000006a 4C 8B 57 08          mov         r10,qword ptr [rdi+8] 
0000006e 66 90                xchg        ax,ax 
00000070 42 8B 44 07 10       mov         eax,dword ptr [rdi+r8+10h] 
    33:                 {
    34:                     if (i > 0)
00000075 85 C0                test        eax,eax 
00000077 7E 07                jle         0000000000000080 
    35:                     {
    36:                         value += 2;
00000079 48 83 C5 02          add         rbp,2 
0000007d EB 05                jmp         0000000000000084 
0000007f 90                   nop 
    37:                     }
    38:                     else
    39:                     {
    40:                         value += 3;
00000080 48 83 C5 03          add         rbp,3 
00000084 FF C2                inc         edx 
00000086 49 83 C0 04          add         r8,4 
    32:                 foreach (int i in array)
0000008a 41 3B D2             cmp         edx,r10d 
0000008d 7C E1                jl          0000000000000070 
0000008f 90                   nop 
    30:             for (int x = 0; x < iterations; x++)
00000090 FF C1                inc         ecx 
00000092 41 3B CC             cmp         ecx,r12d 
00000095 7C C9                jl          0000000000000060 

X64,三元

    59:                 foreach (int i in array)
00000044 4C 8B 4F 08          mov         r9,qword ptr [rdi+8] 
00000048 45 85 C9             test        r9d,r9d 
0000004b 7E 2F                jle         000000000000007C 
0000004d 45 33 C0             xor         r8d,r8d 
00000050 33 D2                xor         edx,edx 
00000052 4C 8B 57 08          mov         r10,qword ptr [rdi+8] 
00000056 8B 44 17 10          mov         eax,dword ptr [rdi+rdx+10h] 
    60:                 {
    61:                     value += i > 0 ? 2 : 3;
0000005a 85 C0                test        eax,eax 
0000005c 7F 07                jg          0000000000000065 
0000005e B8 03 00 00 00       mov         eax,3 
00000063 EB 05                jmp         000000000000006A 
00000065 B8 02 00 00 00       mov         eax,2 
0000006a 48 63 C0             movsxd      rax,eax 
0000006d 4C 03 E0             add         r12,rax 
00000070 41 FF C0             inc         r8d 
00000073 48 83 C2 04          add         rdx,4 
    59:                 foreach (int i in array)
00000077 45 3B C2             cmp         r8d,r10d 
0000007a 7C DA                jl          0000000000000056 
    57:             for (int x = 0; x < iterations; x++)
0000007c FF C1                inc         ecx 
0000007e 3B CD                cmp         ecx,ebp 
00000080 7C C6                jl          0000000000000048 

首先:为什么X86代码比X64慢得多?

这是由于代码的以下特征:

  • X64有几个附加寄存器可用,每个寄存器都是64位。 这允许X64 JIT完全使用寄存器执行内部循环,除了从数组中加载i ,而X86 JIT在循环中放置了多个堆栈操作(内存访问)。
  • value是一个64位整数,它需要X86上的2条机器指令( add后跟adc ),但在X64( add )上只有1条机器指令。
  • 其次:为什么三元运算符在X86和X64上都较慢?

    这是由于影响JIT优化器的操作顺序的微妙差异所致。 为了让三态运算符JIT,而不是直接在add机器指令本身编码23 ,JIT创建一个中间变量(在寄存器中)来保存结果。 然后将该寄存器从32位扩展到64位,然后将其添加到value 。 由于所有这些都是在X64的寄存器中执行的,尽管三元运算符的复杂性显着增加,净影响有所减小。

    另一方面,X86 JIT会受到更大程度的影响,因为在内部循环中添加新的中间值会导致其“溢出”另一个值,从而导致内部循环中至少有2次额外的内存访问(请参阅访问到X86三元代码中的[ebp-14h] )。


    编辑:所有更改...见下文。

    我无法在x64 CLR上重现您的结果,但我可以在x86上重现。 在x64上,我可以看到条件运算符和if / else之间的小差异(小于10%),但比您看到的要小得多。

    我做了以下潜在的改变:

  • 在控制台应用程序中运行
  • /o+ /debug-构建,并在调试器外部运行
  • 运行这两个代码段以便进行JIT操作,然后多次执行以获得更高的准确性
  • 使用Stopwatch
  • /platform:x64 (没有“忽略”行)的结果:

    if/else with 1 iterations: 17ms
    conditional with 1 iterations: 19ms
    if/else with 1000 iterations: 17875ms
    conditional with 1000 iterations: 19089ms
    

    使用/platform:x86 (不含“忽略”行)的结果:

    if/else with 1 iterations: 18ms
    conditional with 1 iterations: 49ms
    if/else with 1000 iterations: 17901ms
    conditional with 1000 iterations: 47710ms
    

    我的系统详情:

  • x64 i7-2720QM CPU @ 2.20GHz
  • 64位Windows 8
  • .NET 4.5
  • 因此,与以前不同,我认为您看到了真正的差异 - 而这一切都与x86 JIT有关。 我不想确切地说明是什么导致了差异 - 如果我可以进入cordbg,我可能会稍后更新该帖子,并提供更多详细信息:)

    有趣的是,如果没有先排序数组,我最终的测试需要大约4.5倍的时间,至少在x64上。 我的猜测是,这与分支预测有关。

    码:

    using System;
    using System.Diagnostics;
    
    class Test
    {
        static void Main()
        {
            Random r = new Random(0);
            int[] array = new int[20000000];
            for(int i = 0; i < array.Length; i++)
            {
                array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
            }
            Array.Sort(array);
            // JIT everything...
            RunIfElse(array, 1);
            RunConditional(array, 1);
            // Now really time it
            RunIfElse(array, 1000);
            RunConditional(array, 1000);
        }
    
        static void RunIfElse(int[] array, int iterations)
        {        
            long value = 0;
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
    
            for (int x = 0; x < iterations; x++)
            {
                foreach (int i in array)
                {
                    if (i > 0)
                    {
                        value += 2;
                    }
                    else
                    {
                        value += 3;
                    }
                }
            }
            sw.Stop();
            Console.WriteLine("if/else with {0} iterations: {1}ms",
                              iterations,
                              sw.ElapsedMilliseconds);
            // Just to avoid optimizing everything away
            Console.WriteLine("Value (ignore): {0}", value);
        }
    
        static void RunConditional(int[] array, int iterations)
        {        
            long value = 0;
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
    
            for (int x = 0; x < iterations; x++)
            {
                foreach (int i in array)
                {
                    value += i > 0 ? 2 : 3;
                }
            }
            sw.Stop();
            Console.WriteLine("conditional with {0} iterations: {1}ms",
                              iterations,
                              sw.ElapsedMilliseconds);
            // Just to avoid optimizing everything away
            Console.WriteLine("Value (ignore): {0}", value);
        }
    }
    

    这个区别与if / else vs ternary没有多大关系。

    看着这些乱七八糟的反汇编(我不会在这里重温,请参阅@ 280Z28的答案),结果发现你正在比较苹果和橘子 。 在一种情况下,您创建了两个不同的+=操作,其中的值是常量,您选择哪一个取决于条件,另一种情况是创建一个+= ,其中要添加的值取决于条件。

    如果你想真正地比较一下它们是否与三元相比,这将是一个更公平的比较(现在两者将同样“缓慢”,或者我们甚至可以说三元有点快):

    int diff;
    if (i > 0) 
        diff = 2;
    else 
        diff = 3;
    value += diff;
    

    value += i > 0 ? 2 : 3;
    

    现在if/else的反汇编如下所示。 请注意,这比三进制情况要糟糕,因为它也退出循环变量( i )的寄存器。

                    if (i > 0)
    0000009d  cmp         dword ptr [ebp-20h],0 
    000000a1  jle         000000AD 
                    {
                        diff = 2;
    000000a3  mov         dword ptr [ebp-24h],2 
    000000aa  nop 
    000000ab  jmp         000000B4 
                    }
                    else
                    {
                        diff = 3;
    000000ad  mov         dword ptr [ebp-24h],3 
                    }
                    value += diff;
    000000b4  mov         eax,dword ptr [ebp-18h] 
    000000b7  mov         edx,dword ptr [ebp-14h] 
    000000ba  mov         ecx,dword ptr [ebp-24h] 
    000000bd  mov         ebx,ecx 
    000000bf  sar         ebx,1Fh 
    000000c2  add         eax,ecx 
    000000c4  adc         edx,ebx 
    000000c6  mov         dword ptr [ebp-18h],eax 
    000000c9  mov         dword ptr [ebp-14h],edx 
    000000cc  inc         dword ptr [ebp-28h] 
    
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