为什么 Enumerable.Range 比直接 yield 循环快？答案

【问题标题】：Why is Enumerable.Range faster than a direct yield loop?为什么 Enumerable.Range 比直接 yield 循环快？
【发布时间】：2010-09-29 08:05:13
【问题描述】：

下面的代码是检查执行相同解决方案的三种不同方法的性能。

    public static void Main(string[] args)
    {
        // for loop
        {
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();

            int accumulator = 0;
            for (int i = 1; i <= 100000000; ++i)
            {
                accumulator += i;
            }

            sw.Stop();

            Console.WriteLine("time = {0}; result = {1}", sw.ElapsedMilliseconds, accumulator);
        }

        //Enumerable.Range
        {
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();

            var ret = Enumerable.Range(1, 100000000).Aggregate(0, (accumulator, n) => accumulator + n);

            sw.Stop();
            Console.WriteLine("time = {0}; result = {1}", sw.ElapsedMilliseconds, ret);
        }

        //self-made IEnumerable<int>
        {
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();

            var ret = GetIntRange(1, 100000000).Aggregate(0, (accumulator, n) => accumulator + n);

            sw.Stop();
            Console.WriteLine("time = {0}; result = {1}", sw.ElapsedMilliseconds, ret);
        }
    }

    private static IEnumerable<int> GetIntRange(int start, int count)
    {
        int end = start + count;

        for (int i = start; i < end; ++i)
        {
            yield return i;
        }
    }
}

结果是：

time = 306; result = 987459712
time = 1301; result = 987459712
time = 2860; result = 987459712

“for 循环”比其他两种解决方案更快并不奇怪，因为 Enumerable.Aggregate 需要更多的方法调用。然而，让我感到惊讶的是，“Enumerable.Range”比“自制的 IEnumerable”要快。我认为 Enumerable.Range 会比简单的 GetIntRange 方法有更多的开销。

这可能是什么原因？

【问题讨论】：

标签： c# performance ienumerable range enumerable

【解决方案1】：

假设这是一个正在运行的发布版本，否则所有比较都将关闭，因为 JIT 将无法正常工作。

您可以查看带有reflector 的程序集，并查看“yield”语句正在扩展什么。编译器将创建一个类来封装迭代器。生成的代码可能比 Enumerable.Range 的实现更多，而后者可能是手动编码的

【讨论】：

【解决方案2】：

为什么Enumerable.Range 比你自制的GetIntRange 慢？事实上，如果Enumerable.Range 被定义为

public static class Enumerable {
    public static IEnumerable<int> Range(int start, int count) {
        var end = start + count;
        for(var current = start; current < end; ++current) {
            yield return current;
        }
    }
}

那么它应该和你自制的GetIntRange一样快。这实际上是 Enumerable.Range 的参考实现，没有编译器或程序员的任何技巧。

您可能希望将您的 GetIntRange 和 System.Linq.Enumerable.Range 与以下实现进行比较（当然，正如 Rob 指出的那样，在发布模式下编译）。此实现可能会针对编译器从迭代器块生成的内容进行轻微优化。

public static class Enumerable {
    public static IEnumerable<int> Range(int start, int count) {
        return new RangeEnumerable(start, count);
    }
    private class RangeEnumerable : IEnumerable<int> {
        private int _Start;
        private int _Count;
        public RangeEnumerable(int start, int count) {
            _Start = start;
            _Count = count;
        }
        public virtual IEnumerator<int> GetEnumerator() {
            return new RangeEnumerator(_Start, _Count);
        }
        IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() {
            return GetEnumerator();
        }
    }
    private class RangeEnumerator : IEnumerator<int> {
        private int _Current;
        private int _End;
        public RangeEnumerator(int start, int count) {
            _Current = start - 1;
            _End = start + count;
        }
        public virtual void Dispose() {
            _Current = _End;
        }
        public virtual void Reset() {
            throw new NotImplementedException();
        }
        public virtual bool MoveNext() {
            ++_Current;
            return _Current < _End;
        }
        public virtual int Current { get { return _Current; } }
        object IEnumerator.Current { get { return Current; } }
    }
}

【讨论】：

【解决方案3】：

我的猜测是您正在调试器中运行。这是我的结果，使用“/o+ /debug-”从命令行构建

time = 142; result = 987459712
time = 1590; result = 987459712
time = 1792; result = 987459712

仍有细微差别，但并不那么明显。迭代器块的实现不如量身定制的解决方案那么高效，但它们非常好。

【讨论】：

是的，我在调试模式下进行了实验。所以，自制的方法生成调试代码。发布速度要快得多。
这里有两件事：在调试模式下构建，在调试器中运行而不是在没有附加调试器的情况下执行。后者有更大的不同。

【解决方案4】：

Reflector 输出略有不同（以及参数检查和额外的内部化水平在这里绝对不相关）。基本代码更像：

public static IEnumerable<int> Range(int start, int count) {
    for(int current = 0; current < count; ++current) {
        yield return start + current;
    }
}

也就是说，它们不是另一个局部变量，而是为每个产量应用一个额外的加法。

我已尝试对此进行基准测试，但我无法停止足够多的外部流程来获得可理解的结果。我还尝试了每个测试两次以忽略 JIT 编译器的影响，但即使这样也有“有趣”的结果。

这是我的结果示例：

运行 0：时间 = 4149;结果 = 405000000450000000 时间 = 25645;结果 = 405000000450000000 时间 = 39229;结果 = 405000000450000000 时间 = 29872;结果 = 405000000450000000 时间 = 4277;结果 = 405000000450000000 时间 = 26878;结果 = 405000000450000000 时间 = 26333;结果 = 405000000450000000 时间 = 26684;结果 = 405000000450000000 运行 1：时间 = 4063;结果 = 405000000450000000 时间 = 22714;结果 = 405000000450000000 时间 = 34744;结果 = 405000000450000000 时间 = 26954;结果 = 405000000450000000 时间 = 4033;结果 = 405000000450000000 时间 = 26657;结果 = 405000000450000000 时间 = 25855；结果 = 405000000450000000 时间 = 25031;结果 = 405000000450000000 运行 2：时间 = 4021;结果 = 405000000450000000 时间 = 21815;结果 = 405000000450000000 时间 = 34304;结果 = 405000000450000000 时间 = 32040;结果 = 405000000450000000 时间 = 3993;结果 = 405000000450000000 时间 = 24779;结果 = 405000000450000000 时间 = 29275;结果 = 405000000450000000 时间 = 32254;结果 = 405000000450000000

和代码

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

namespace RangeTests
{
  class TestRange
  {
    public static void Main(string[] args)
    {
      for(int l = 1; l <= 2; ++l)
      {
        const int N = 900000000;
        System.GC.Collect(2);
        // for loop
        {
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();

            long accumulator = 0;
            for (int i = 1; i <= N; ++i)
            {
                accumulator += i;
            }

            sw.Stop();

            Console.WriteLine("time = {0}; result = {1}", sw.ElapsedMilliseconds, accumulator);
        }
        System.GC.Collect(2);

        //Enumerable.Range
        {
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();

            var ret = Enumerable.Range(1, N).Aggregate(0, (long accumulator,int n) => accumulator + n);

            sw.Stop();
            Console.WriteLine("time = {0}; result = {1}", sw.ElapsedMilliseconds, ret);
        }
        System.GC.Collect(2);

        //self-made IEnumerable<int>
        {
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();

            var ret = GetIntRange(1, N).Aggregate(0, (long accumulator,int n) => accumulator + n);

            sw.Stop();
            Console.WriteLine("time = {0}; result = {1}", sw.ElapsedMilliseconds, ret);
        }
        System.GC.Collect(2);

        //self-made adjusted IEnumerable<int>
        {
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();

            var ret = GetRange(1, N).Aggregate(0, (long accumulator,int n) => accumulator + n);

            sw.Stop();
            Console.WriteLine("time = {0}; result = {1}", sw.ElapsedMilliseconds, ret);
        }
        System.GC.Collect(2);
        Console.WriteLine();
    } }

    private static IEnumerable<int> GetIntRange(int start, int count)
    {
        int end = start + count;

        for (int i = start; i < end; ++i)
        {
            yield return i;
        }
    }

    private static IEnumerable<int> GetRange(int start, int count)
    {
        for (int i = 0; i < count; ++i)
        {
            yield return start + i;
        }
    }
} }

编译

csc.exe -optimize+ -debug- RangeTests.cs

【讨论】：