为什么在这个图像处理测试中 Swift 比 C 慢 100 倍？ [复制]答案

【问题标题】：Why Swift is 100 times slower than C in this image processing test? [duplicate]为什么在这个图像处理测试中 Swift 比 C 慢 100 倍？ [复制]
【发布时间】：2014-07-28 22:48:34
【问题描述】：

与许多其他开发人员一样，我对 Apple 的新 Swift 语言感到非常兴奋。 Apple 声称它的速度比 Objective C 更快，并且可以用来编写操作系统。从我目前学到的知识来看，它是一种静态类型语言，能够精确控制确切的数据类型（如整数长度）。所以它看起来确实有很好的潜力处理性能关键任务，比如图像处理，对吧？

这是我在进行快速测试之前的想法。结果真的让我吃惊。

这是一个简单的C语言sn-p代码：

test.c:

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>

uint8_t pixels[640*480];
uint8_t alpha[640*480];
uint8_t blended[640*480];

void blend(uint8_t* px, uint8_t* al, uint8_t* result, int size)
{
    for(int i=0; i<size; i++) {
        result[i] = (uint8_t)(((uint16_t)px[i]) *al[i] /255);
    }
}

int main(void)
{
    memset(pixels, 128, 640*480);
    memset(alpha, 128, 640*480);
    memset(blended, 255, 640*480);

    // Test 10 frames
    for(int i=0; i<10; i++) {
        blend(pixels, alpha, blended, 640*480);
    }

    return 0;
}

我在我的 Macbook Air 2011 上使用以下命令编译了它：

clang -O3 test.c -o test

10帧处理时间约为0.01s。也就是说，C 代码处理一帧需要 1ms：

$ time ./test
real    0m0.010s
user    0m0.006s
sys     0m0.003s

然后我有相同代码的 Swift 版本：

test.swift:

let pixels = UInt8[](count: 640*480, repeatedValue: 128)
let alpha = UInt8[](count: 640*480, repeatedValue: 128)
let blended = UInt8[](count: 640*480, repeatedValue: 255)

func blend(px: UInt8[], al: UInt8[], result: UInt8[], size: Int)
{
    for(var i=0; i<size; i++) {
        var b = (UInt16)(px[i]) * (UInt16)(al[i])
        result[i] = (UInt8)(b/255)
    }
}

for i in 0..10 {
    blend(pixels, alpha, blended, 640*480)
}

构建命令行是：

xcrun swift -O3 test.swift -o test

在这里，我使用相同的O3 级别优化标志来使比较希望公平。但是，结果速度慢了 100 倍：

$ time ./test

real    0m1.172s
user    0m1.146s
sys     0m0.006s

换句话说，Swift 大约需要 120 毫秒来处理一帧，而 C 只需要 1 毫秒。

发生了什么？

更新：我正在使用 clang：

$ gcc -v
Configured with: --prefix=/Applications/Xcode6-Beta.app/Contents/Developer/usr --with-gxx-include-dir=/usr/include/c++/4.2.1
Apple LLVM version 6.0 (clang-600.0.34.4) (based on LLVM 3.5svn)
Target: x86_64-apple-darwin13.2.0
Thread model: posix

更新：不同运行迭代的更多结果：

以下是不同“帧”数的结果，即将主 for 循环数从 10 更改为其他数字。请注意，现在我的 C 代码时间变得更快（缓存热？），而 Swift 时间并没有太大变化：

             C Time (s)      Swift Time (s)
  1 frame:     0.005            0.130
 10 frames(*): 0.006            1.196
 20 frames:    0.008            2.397
100 frames:    0.024           11.668

更新：`-Ofast` 有帮助

使用@mweathers 建议的-Ofast，Swift 速度上升到合理范围。

在我的笔记本电脑上，带有-Ofast 的 Swift 版本在 10 帧和 100 帧中获得 0.013 秒和 0.048 秒，接近 C 性能的一半。

【问题讨论】：

出于好奇，将混合计算替换为var b = (UInt16)(px[i]) &* (UInt16)(al[i]) 是否有帮助，如果我正确阅读文档将导致 swift 避免溢出检查？
如果您将代码调整为两次执行相同的过程（即，将迭代从 10 次扩展到 20 次）会发生什么？我想启动 Swift 运行时的成本比启动 C 运行时要高一些。
你能转储汇编代码吗？我的猜测是 clang 版本可能正在优化除以常数 255
尝试仅分析 blend 函数。填充数组和环境设置的差异可能在起作用。
阅读整个链接，可以看到“将 Swift 编译器 - Xcode 中的优化级别更改为 'Fastest, Unchecked' 加快了这一速度以与您的 C++ 相媲美。”

标签： c macos performance swift

【解决方案1】：

构建：

xcrun swift -Ofast test.swift -o test

我得到的时间是：

real    0m0.052s
user    0m0.009s
sys 0m0.005s

【讨论】：

@JeremyBanks：-Ofast 改变了语言的语义。这是不安全的。您正在将 Swift 变成一种类似 C++ 的语言。整数溢出、数组溢出等被默默忽略。
更多关于 -Ofast 影响的例子在这里：stackoverflow.com/questions/24101718/…
@grasGendarme：数组边界检查确实不意味着减速 100 倍（它应该更像一个因素
@JukkaSuomela 数组边界检查肯定会导致像这样的内部循环中超过一百万次迭代的 100 倍减速
@gordy：有关 Swift 与 Java 与 Python 与 C++ 的一些比较，请参见 this。请记住，Java 也会进行边界检查（还有更多——它还必须检查空指针）。

【解决方案2】：

让我们专注于这个问题的答案，它以“为什么”开头：因为您没有启用优化，而 Swift 严重依赖编译器优化。

也就是说，在 C 中进行图像处理确实很愚蠢。这就是您拥有 CGImage 和朋友的目的。

【讨论】：