C++ 与 C# 数组性能问题

Question

所以，我遇到了一种情况，我必须处理巨大的（多维）数组，只是想知道 C# 还是 C++ 的性能会更好。 （注意：我是 C++ 的初学者，所以不要期望太多关于它如何工作的知识！）。我认为就数组而言，两种语言的性能相似，也许 C++ 可能会稍微好一点，但是：结果告诉其他故事：

1012ms in C++ @32Bit
1020ms in C++ @32Bit
1002ms in C++ @32Bit

1155ms in C++ @64Bit
1098ms in C++ @64Bit
1122ms in C++ @64Bit
1136ms in C++ @64Bit


523ms in C# @32-Bit
545ms in C# @32-Bit
537ms in C# @32-Bit
536ms in C# @32-Bit

473ms in C# @64-Bit
501ms in C# @64-Bit
470ms in C# @64-Bit
498ms in C# @64-Bit

我在 x86 和 x64 架构上执行了一次测试运行。这里有两件事：为什么 C# 的性能几乎是 C++ 的两倍？为什么 C# 在 x64-Mode 和 C++ 在 x86-Mode 中实际上更快？！？我真的没想到会发生这种情况。

正如我所说，我目前在 C++ 编程方面没有那么丰富的经验，但我尽我所能在 C++ 中重现我的 C# 代码。

代码如下： C#

for (int j = 0; j < 4; j++)
{
    Stopwatch sw = new Stopwatch();
    sw.Start();

    struct1[] s1 = new struct1[20000000];
    int length = 20000000;

    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        s1[i] = new struct1();
        s1[i].samplechar = 'c';
        s1[i].sampleInt = i * 2;
        s1[i].sampledouble = Math.Sqrt(i);
    }

    sw.Stop();
    GC.Collect();
    Console.WriteLine(sw.ElapsedMilliseconds + "ms in C# @...-Bit");
}

与结构1：

public struct struct1
{
    public int sampleInt;
    public double sampledouble;
    public char samplechar;
}

C++：

for (int j = 0; j < 4; j++)
{
    auto begin = std::chrono::high_resolution_clock::now();

    struct1* s1 = new struct1[20000000];
    int length = 20000000;

    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        s1[i].sampleChar = 'c';
        s1[i].sampleInt = i * 2;
        s1[i].sampleDouble = sqrt(i);
    }
    auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();       

    std::cout << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - begin).count() << "ms in C++ @64Bit" << std::endl;

    free(s1);

}

结构1：

struct struct1 {
public:
    int sampleInt;
    int sampleDouble;
    char sampleChar;

};

注意：我没有将垃圾收集/免费包括在性能测量中，因为 - 就我而言 - 只要程序正在运行，就会存在一个巨大的数组。而且我认为很明显，除非你想杀死你的机器，否则这种大小的数组会被频繁地创建/删除......

注 2：另一个令人困惑的事情：虽然 C++ 消耗大约 250MB 的 RAM，但 C# 需要 500MB。但为什么呢？

提前感谢您的任何解释。也许我只是弄错了，而失败就在显示器后面，但我虽然对我得到这些结果的原因很感兴趣。

编辑：我在 Windows 10 上运行 Visual Studio 2017RC。C++ 优化已禁用 (/Od)

Answer 1

使用正确的优化和编译器设置，C++ 版本应该至少与 C# 版本一样快。请记住，您测量的时间并不完全相同（看看您是否可以在 C++ 中使用 StopWatch 尝试它？） - 请参阅此问题以获取更多详细信息：resolution of std::chrono::high_resolution_clock doesn't correspond to measurements - 这很可能是来源您的不同时间安排（特别是为什么 C++ 实现的测量时间更长）。 StopWatch 比您在 std::chrono::high_resolution_clock 的 VisualStudio/Windows 实现中使用的更准确。

另外请记住，您实际上并不是在处理多维数组（例如 C# 用语中的 int[,]）——您只是在处理一个结构数组。对于它的价值，我的回忆是，实际多维数组的 CLR 实现并不是为大型集合的性能而构建的——它可能构建一个更快的（如果实际上你想要多维数组而不仅仅是结构数组)。

这里更重要的可能是能够更严格地控​​制内存管理 - 如果您要分配大型结构数组，则可以使用 C 或 C++ 比在垃圾收集环境。您还可以更轻松/自然地使用指针算术和内存复制 - 尽管这在 C# 中的 unsafe 上下文中也是完全可能的。与safe 上下文中的“普通”C# 实现相比，这可能会带来一些速度性能提升。

Answer 2

除了丹菲尔德的回答：

注 2：另一个令人困惑的事情：虽然 C++ 消耗大约 250MB 的 RAM，但 C# 占用 500MB。但为什么呢？

在 C++ 中，您使用 int,int,char，它（至少在 32 位系统上）将被填充为 4、4、4 字节（例如，结构的打包设置为 1 字节）。

在 C# 中，您使用int,double,char，它将被填充到 8、8、8（或者可能是 4？）字节。第一个 int 被填充以在 8 个字节上对齐双精度。如果使用double,int,char，则结构应该更小（可能是 16 个字节）。

虽然我不是 C# 专家，但我不明白为什么你在循环中使用 s1[i] = new struct1(); 而已经有一个 struct1 的数组？ （但我可能错了或遗漏了什么）。

另外，在测试数组性能时，我不会在循环中使用 sqrt()，因为该函数比遍历项目更昂贵。

当然，在测试性能时应该启用优化。

---

使用循环注册甚至可以更快：

for (int i = 0; i < length; i+=4)
{
    s1[i].sampleInt = i * 2;
    s1[i].sampleDouble = i * 4;
    s1[i].sampleChar = 'c';    // reordered in order of struct
                               // not sure if it matters
    s1[i+1].sampleInt = (i+1) * 2;
    s1[i+1].sampleDouble = (i+1) * 4;
    s1[i+1].sampleChar = 'c';
                               // maybe 2 or 3 would be better than 4
    s1[i+2].sampleInt = (i+2) * 2;
    s1[i+2].sampleDouble = (i+2) * 4;
    s1[i+2].sampleChar = 'c';

    s1[i+3].sampleInt = (i+3) * 2;
    s1[i+3].sampleDouble = (i+3) * 4;
    s1[i+3].sampleChar = 'c';
}

对比

for (int i = 0; i < length; i++)
{
    s1[i].sampleChar = 'c';
    s1[i].sampleInt = i * 2;
    s1[i].sampleDouble = i * 4;
}