MATLAB 类常量的性能

Question

我的代码中有几个辅助函数，对于给定的数值计算，它们会被多次调用。这些辅助函数使用一些常数值进行计算。同一个常量值可能被多个辅助函数使用。

这似乎是define class properties with constant values 的理想方案。不过，我做了一些基准测试，结果让我感到非常惊讶。

以下面的类为例 (Consts.m)：

classdef Consts
    properties (Constant)
        A = 0.5
        B = 3
    end

    properties
        VariableA
        VariableB
    end

    methods
        function obj = Consts()
            obj.VariableA = 0.5;
            obj.VariableB = 3;
        end
    end
end

还有以下文件（speed_tests.m）：

function speed_tests()
    tic;
    for i = 1:200000
        direct_constant_access(1, 2);
    end
    fprintf('Direct constant access: ');
    toc;

    tic;
    c = Consts();
    for i = 1:200000
        passing_extra_obj(1, 2, c);
    end
    fprintf('Passing extra object: ');
    toc;

    tic;
    for i = 1:200000
        persistent_constants(1, 2);
    end
    fprintf('Persistent constants: ');
    toc;

    % Let's assume this code is executed at some point externally:
    % global A B;
    % A = 0.5;
    % B = 3;
    tic;
    for i = 1:200000
        defined_globally(1, 2);
    end
    fprintf('Defined globally: ');
    toc;

    tic;
    for i = 1:200000
        hardcoded(1, 2);
    end
    fprintf('Hardcoded: ');
    toc;

    tic;
    for i = 1:200000
        hardcoded_v2(1, 2);
    end
    fprintf('Hardcoded v2: ');
    toc;
end

function val = direct_constant_access(a, b)
    val = (a + Consts.A)^2 + log(b * Consts.B);
end

function val = passing_extra_obj(a, b, obj)
    val = (a + obj.VariableA)^2 + log(b * obj.VariableB);
end

function val = persistent_constants(a, b)
    persistent A B;
    if isempty(A)
        A = Consts.A^2;
        B = Consts.B;
    end
    val = (a + A)^2 + log(b * B);
end

function val = defined_globally(a, b)
    global A B;
    val = (a + A)^2 + log(b * B);
end

function val = hardcoded(a, b)
    val = (a + 0.5)^2 + log(b * 3);
end

function val = hardcoded_v2(a, b)
    A = 0.5;
    B = 3;
    val = (a + A)^2 + log(b * B);
end

当我在 MATLAB R2010b 上运行 speed_tests() 时，这是我得到的（您的里程可能会有所不同）：

>> speed_tests()
Direct constant access: Elapsed time is 5.973690 seconds.
Passing extra object: Elapsed time is 1.760897 seconds.
Persistent constants: Elapsed time is 1.594263 seconds.
Defined globally: Elapsed time is 1.559441 seconds.
Hardcoded: Elapsed time is 0.673995 seconds.
Hardcoded v2: Elapsed time is 0.661189 seconds.

也许我太习惯于其他编程语言（其中真正的常量可能会在编译时简单地被文字替换），但是在 MATLAB 中访问类常量真的那么慢还是我遗漏了什么？

当我在 MATLAB R2013a（同一台计算机）中尝试相同的操作时，这种直接常量访问似乎已经改进了很多：

>> speed_tests()
Direct constant access: Elapsed time is 2.168146 seconds.
Passing extra object: Elapsed time is 1.593721 seconds.
Persistent constants: Elapsed time is 2.302785 seconds.
Defined globally: Elapsed time is 1.404252 seconds.
Hardcoded: Elapsed time is 0.531191 seconds.
Hardcoded v2: Elapsed time is 0.493668 seconds.

不过，没有一个非硬编码版本接近硬编码版本。这是我在工作中仅有的两个 MATLAB 版本，所以我不知道这些年来这是否一直在改进（这与我自己无关，因为无论如何我都无法使用更新的版本）。

CPU 时间对于我正在开发的东西来说是一个非常重要的因素，但如果可以的话，我想避免用硬编码的文字填充代码。类常量不是所谓的避免这种情况的方法吗？

还有什么我可以考虑的吗？

注意：真正的辅助函数每次都会使用不同的参数调用，因此缓存结果对我来说没有帮助。

Answer 1

我也遇到过这个问题，如果有什么技巧可以减少访问类对象的开销，我也很想知道。

如果可以的话，我会尽量减少对象被访问的次数。在您的示例中，我将在开始循环之前访问 A 和 B 一次，然后将它们作为参数传递给每个函数调用。

function speed_tests()
    tic;
    A = Consts.A;
    B = Consts.B;
    for i = 1:200000
        passing_arguments(1, 2, A, B);
    end
    fprintf('Passing arguments: ');
    toc;

    tic;
    for i = 1:200000
        persistent_constants(1, 2);
    end
    fprintf('Persistent constants: ');
    toc;

    tic;
    for i = 1:200000
        hardcoded(1, 2);
    end
    fprintf('Hardcoded: ');
    toc;    
end

function val = passing_arguments(a, b, A, B)
    val = (a + A)^2 + log(b * B);
end

function val = persistent_constants(a, b)
    persistent A B;
    if isempty(A)
        A = Consts.A^2;
        B = Consts.B;
    end
    val = (a + A)^2 + log(b * B);
end

function val = hardcoded(a, b)
    val = (a + 0.5)^2 + log(b * 3);
end

输出：

Passing arguments: Elapsed time is 0.035402 seconds.
Persistent constants: Elapsed time is 0.208998 seconds.
Hardcoded: Elapsed time is 0.027781 seconds.