为什么这个 List<>.IndexOf 代码比 List[i] 和手动比较快得多？

Question

我在这段代码上运行 AQTime，我发现 .IndexOf 占用了 16% 的时间，而另一段则接近 80%...它们似乎使用相同的 IsEqual 和其他例程。调用 116,000 次，插入 30,000 个项目。所有 List 对象都没有超过 200 个元素。 （我可能用错了 AQTime，我正在研究这个）

class PointD : IEquatable<PointD>
{
    public double X, Y, Z;

    bool IEquatable<PointD>.Equals(PointD other)
    {
        return ((X == other.X) && (Y == other.Y) && (Z == other.Z));
    }
}

class PerfTest
{
    readonly List<PointD> _pCoord3Points = new List<PointD>();
    public int NewPoints;
    public int TotalPoints;

    public PerfTest()
    {
        NewPoints = 0;
        TotalPoints = 0;
    }
    public int CheckPointIndexOf(PointD pt)
    {
        int retIndex = _pCoord3Points.IndexOf(pt);
        if (retIndex < 0)
        {
            _pCoord3Points.Add(pt);
            NewPoints++;
        }
        TotalPoints++;
        return retIndex;    
    }

    public int CheckPointForBreak(PointD pt)
    {
        int retIndex = -1;
        for (int i = 0; i < _pCoord3Points.Count; i++)
        {
            PointD otherPt = _pCoord3Points[i];
            if ((pt.X == otherPt.X) &&
                (pt.Y == otherPt.Y) &&
                (pt.Z == otherPt.Z))
            {
                retIndex = i;
                break;
            }
        }
        if (retIndex == -1)
        {
            NewPoints++;
            _pCoord3Points.Add(pt);
        }
        TotalPoints++;
        return retIndex;
    }

    static void Main()
    {
        const int xmax = 300;
        const int ymax = 10;
        const int zmax = 10;
        const int imax = 4;

        var test = new PerfTest();
        //test.Init();
        Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < imax; i++)
        {
            for (int x = 0; x < xmax; x++)
            {
                for (int y = 0; y < ymax; y++)
                {
                    for (int z = 0; z < zmax; z++)
                    {
                        var pt = new PointD { X = x, Y = y, Z = z };
                        test.CheckPointIndexOf(pt);
                    }
                }
            }

        } 
        sw.Stop();
        string output = string.Format("Total: {0:0} New: {1:0} IndexOf: ", test.TotalPoints, test.NewPoints);
        Console.Write(output);
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);

        test = new PerfTest();
        sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < imax; i++)
        {
            for (int x = 0; x < xmax; x++)
            {
                for (int y = 0; y < ymax; y++)
                {
                    for (int z = 0; z < zmax; z++)
                    {
                        var pt = new PointD { X = x, Y = y, Z = z };
                        test.CheckPointForBreak(pt);
                    }
                }
            }

        } 
        sw.Stop();
        output = string.Format("Total: {0:0} New: {1:0} PointD[] ", test.TotalPoints, test.NewPoints);
        Console.Write(output);
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
        Console.ReadLine();
    }
}

Answer 1

我做了以下假设：

• PointD 是一个结构体
• IndexOf 确实比手动迭代列表要慢

您可以通过实现IEquatable<T> 接口来加速IndexOf：

struct PointD : IEquatable<PointD>
{
    public int X;
    public int Y;
    public int Z;

    public bool Equals(PointD other)
    {
        return (this.X == other.X) &&
                (this.Y == other.Y) &&
                (this.Z == other.Z);
    }
}

在不实现IEquatable<T> 接口的情况下，IndexOf 将使用ValueType.Equals(object other) 比较两个PointD 元素，这涉及昂贵的装箱操作。

IEquatable<T> 接口的文档说明：

IEquatable<T> 接口由泛型集合对象使用，例如 Dictionary<TKey, TValue>、List<T> 和 LinkedList<T>，在 Contains、IndexOf、LastIndexOf 和 @ 等方法中测试相等性时987654338@。 应该为任何可能存储在通用集合中的对象实现它。

这是我的完整基准代码：

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

struct PointD 
{
    public int X;
    public int Y;
    public int Z;
}

class PerfTest
{
    List<PointD> _pCoord3Points = new List<PointD>();

    int checkPointIndexOf(PointD pt)
    {
        return _pCoord3Points.IndexOf(pt);  
    }

    int checkPointForBreak(PointD pt)
    {
        int retIndex = -1;
        for (int i = 0; i < _pCoord3Points.Count; i++)
        {
            PointD otherPt = _pCoord3Points[i];
            if ((pt.X == otherPt.X) &&
                (pt.Y == otherPt.Y) &&
                (pt.Z == otherPt.Z))
                retIndex = i;
            break;
        }
        return retIndex;
    }

    void init()
    {
        for (int x = 0; x < 100; x++)
        {
            for (int y = 0; y < 10; y++)
            {
                for (int z = 0; z < 10; z++)
                {
                    PointD pt = new PointD() { X = x, Y = y, Z = z };
                    _pCoord3Points.Add(pt);
                }
            }
        }
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        PerfTest test = new PerfTest();
        test.init();
        Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int x = 0; x < 100; x++)
        {
            for (int y = 0; y < 10; y++)
            {
                for (int z = 0; z < 10; z++)
                {
                    PointD pt = new PointD() { X = x, Y = y, Z = z };
                    test.checkPointIndexOf(pt);
                }
            }
        }
        sw.Stop();
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
        sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int x = 0; x < 100; x++)
        {
            for (int y = 0; y < 10; y++)
            {
                for (int z = 0; z < 10; z++)
                {
                    PointD pt = new PointD() { X = x, Y = y, Z = z };
                    test.checkPointForBreak(pt);
                }
            }
        }
        sw.Stop();
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

在 Windows 7、x64、.NET 4.0 x64 版本上，我得到以下时间（大约）：

索引：00:00:04.8096623 循环：00:00:00.0014203

将PointD 转换为class 时，时间会更改为

索引：00:00:01.0703627 循环：00:00:00.0014190

当使用struct PointD 实现IEquatable<PointD> 时，我得到更多“相似”的结果，但IndexOf 仍然较慢（现在使用class 没有显着差异）：

索引：00:00:00.3904615 循环：00:00:00.0015218

Answer 2

通常，在您访问数组元素之前，它会检查以确保索引 >= 0 且 buffer overflows 的严重安全漏洞。

不用说，如果循环中的代码非常少，这会影响性能。为了减轻这个问题，JIT 编译器优化了 for (i = 0; i < array.Length; i++) { array[i]; } 形式的 for 循环——即任何访问数组从 0 到长度 - 1 的所有索引的循环。它省略了这种情况下的边界检查。 （如果你访问像 array[i + 1] 这样的东西，优化会失败，因为你可能会越界。）

不幸的是，这只适用于数组，不适用于 Lists。所以你后面的代码不会被优化。

但由于List内部包含一个数组，而List.IndexOf()使用循环直接访问数组中的每个值，所以可以优化。

顺便说一句，说for (int i = 0; i < array.Length; i++) { } 比说int length = array.Length; for(int i = 0; i < length; i++) { } 好——因为它不能确定length 真的是数组的长度。

编辑：使用 Reflector 查看 IndexOf 代码，循环确实会优化，但正如这里其他人提到的，它调用 Equals() - 这需要 vtable lookup 和各种健全性检查。因此，在这种情况下，如果您不使用分析器运行 IndexOf，它实际上可能会更慢。

反汇编代码：

internal virtual int IndexOf(T[] array, T value, int startIndex, int count)
{
    int num = startIndex + count;
    for (int i = startIndex; i < num; i++)
    {
        if (this.Equals(array[i], value))
        {
            return i;
        }
    }
    return -1;
}

Answer 3

_pCoord3Points 的类型是什么？如果元素类型是只覆盖Equals(object) 的值类型，那么IndexOf 可能会重复装箱值以检查是否相等。这可能解释它。不过，这实际上只是猜测……如果您可以提供一个简短但完整的程序来演示该问题，那将更容易为您提供帮助。