Was kann den Aufwand für die Verwendung von const in diesem Fall erklären?

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Ich stoße hier meinen Kopf gegen die Wand, also hoffe ich, dass einige von Ihnen mich erziehen können. Ich habe einige Leistungsbenchmarks mit BenchmarkDotNet durchgeführt und bin auf diesen seltsamen Fall gestoßen, in dem die Angabe eines Mitglieds constdie Leistung erheblich beeinträchtigt.

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System;

namespace PerfTest
{
    [DisassemblyDiagnoser(printAsm: true, printSource: true)]
    public class Test
    {
        private int[] data;
        private int Threshold = 90;
        private const int ConstThreshold = 90;

        [GlobalSetup]
        public void GlobalSetup()
        {
            data = new int[1000];
            var random = new Random(42);
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                data[i] = random.Next(100);
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            var summary = BenchmarkRunner.Run<Test>();
        }

        [Benchmark(Baseline = true)]
        public void ClampToMemberValue()
        {
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                if (data[i] > Threshold) data[i] = Threshold;
            }
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToConstValue()
        {
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                if (data[i] > ConstThreshold) data[i] = ConstThreshold;
            }
        }
    }
}

Beachten Sie, dass der einzige Unterschied zwischen den beiden Testmethoden darin besteht, ob sie mit einer regulären Elementvariablen oder einem konstanten Element verglichen werden.

Laut BenchmarkDotNet ist die Verwendung des const-Werts erheblich langsamer und ich verstehe nicht, warum.

BenchmarkDotNet=v0.11.5, OS=Windows 10.0.18362
Intel Core i7-5820K CPU 3.30GHz (Broadwell), 1 CPU, 12 logical and 6 physical cores
.NET Core SDK=3.0.100
  [Host]     : .NET Core 3.0.0 (CoreCLR 4.700.19.46205, CoreFX 4.700.19.46214), 64bit RyuJIT
  DefaultJob : .NET Core 3.0.0 (CoreCLR 4.700.19.46205, CoreFX 4.700.19.46214), 64bit RyuJIT


|             Method |     Mean |    Error |   StdDev | Ratio |
|------------------- |---------:|---------:|---------:|------:|
| ClampToMemberValue | 590.4 ns | 1.980 ns | 1.852 ns |  1.00 |
|  ClampToConstValue | 724.6 ns | 4.184 ns | 3.709 ns |  1.23 |

Ein Blick auf den kompilierten JIT-Code erklärt ihn nicht, soweit ich das beurteilen kann. Hier ist der Code für die beiden Methoden. Der einzige Unterschied besteht darin, ob der Vergleich mit einem Register oder einem Literal durchgeführt wird.

00007ff9`7f1b8500 PerfTest.Test.ClampToMemberValue()
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                 ^^^^^^^^^
00007ff9`7f1b8504 33c0            xor     eax,eax
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                            ^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1b8506 488b5108        mov     rdx,qword ptr [rcx+8]
00007ff9`7f1b850a 837a0800        cmp     dword ptr [rdx+8],0
00007ff9`7f1b850e 7e2e            jle     00007ff9`7f1b853e
00007ff9`7f1b8510 8b4910          mov     ecx,dword ptr [rcx+10h]
                if (data[i] > Threshold) data[i] = Threshold;
                ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1b8513 4c8bc2          mov     r8,rdx
00007ff9`7f1b8516 458b4808        mov     r9d,dword ptr [r8+8]
00007ff9`7f1b851a 413bc1          cmp     eax,r9d
00007ff9`7f1b851d 7324            jae     00007ff9`7f1b8543
00007ff9`7f1b851f 4c63c8          movsxd  r9,eax
00007ff9`7f1b8522 43394c8810      cmp     dword ptr [r8+r9*4+10h],ecx
00007ff9`7f1b8527 7e0e            jle     00007ff9`7f1b8537
                if (data[i] > Threshold) data[i] = Threshold;
                                         ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1b8529 4c8bc2          mov     r8,rdx
00007ff9`7f1b852c 448bc9          mov     r9d,ecx
00007ff9`7f1b852f 4c63d0          movsxd  r10,eax
00007ff9`7f1b8532 47894c9010      mov     dword ptr [r8+r10*4+10h],r9d
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                                             ^^^
00007ff9`7f1b8537 ffc0            inc     eax
00007ff9`7f1b8539 394208          cmp     dword ptr [rdx+8],eax
00007ff9`7f1b853c 7fd5            jg      00007ff9`7f1b8513
        }
        ^
00007ff9`7f1b853e 4883c428        add     rsp,28h

und

00007ff9`7f1a8500 PerfTest.Test.ClampToConstValue()
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                 ^^^^^^^^^
00007ff9`7f1a8504 33c0            xor     eax,eax
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                            ^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1a8506 488b5108        mov     rdx,qword ptr [rcx+8]
00007ff9`7f1a850a 837a0800        cmp     dword ptr [rdx+8],0
00007ff9`7f1a850e 7e2d            jle     00007ff9`7f1a853d
                if (data[i] > ConstThreshold) data[i] = ConstThreshold;
                ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1a8510 488bca          mov     rcx,rdx
00007ff9`7f1a8513 448b4108        mov     r8d,dword ptr [rcx+8]
00007ff9`7f1a8517 413bc0          cmp     eax,r8d
00007ff9`7f1a851a 7326            jae     00007ff9`7f1a8542
00007ff9`7f1a851c 4c63c0          movsxd  r8,eax
00007ff9`7f1a851f 42837c81105a    cmp     dword ptr [rcx+r8*4+10h],5Ah
00007ff9`7f1a8525 7e0f            jle     00007ff9`7f1a8536
                if (data[i] > ConstThreshold) data[i] = ConstThreshold;
                                              ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1a8527 488bca          mov     rcx,rdx
00007ff9`7f1a852a 4c63c0          movsxd  r8,eax
00007ff9`7f1a852d 42c74481105a000000 mov   dword ptr [rcx+r8*4+10h],5Ah
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                                             ^^^
00007ff9`7f1a8536 ffc0            inc     eax
00007ff9`7f1a8538 394208          cmp     dword ptr [rdx+8],eax
00007ff9`7f1a853b 7fd3            jg      00007ff9`7f1a8510
        }
        ^
00007ff9`7f1a853d 4883c428        add     rsp,28h

Ich bin mir sicher, dass ich etwas übersehen habe, aber ich kann es an dieser Stelle nicht verstehen, also suche ich nach Informationen darüber, was dies erklären kann.

c#  performance  benchmarkdotnet 
— Brian Rasmussen
quelle
@OlivierRogier Ich erinnere mich, dass BenchmarkDotNet beim Ausführen in Debug fehlgeschlagen ist.
— Euphoric
In der Tat beweist die Verwendung einer Stoppuhr, dass die Verwendung eines const int etwas langsamer ist als ein Feld auf einem einfachen a * a ..., selbst wenn der IL-Code mehr Operanden verwendet.
— Olivier Rogier
1
Mit BenchmarkDotNet 12.0 und .Net Framework 4,8 führe ich den genauen Code aus der Frage aus und sehe keinen signifikanten Unterschied in den Ergebnissen zwischen den beiden Methoden, wenn ich in x86 ausgeführt werde. Ich kann den beobachteten Unterschied beim Wechsel zu x64 sehen.
— NineBerry
Die cmpund mov-Anweisungen, die für den const-Pfad verwendet werden, belegen mehr Speicher als eine registergestützte Anweisung, da das Codieren einer Zahl zusätzliche Bytes erfordert und insgesamt mehr CPU-Zyklen für die Ausführung benötigt (9 Bytes gegenüber 5 Bytes für movund 6 Bytes gegenüber 5 Bytes für cmp). . Und obwohl es zusätzliche mov ecx,dword ptr [rcx+10h]Anweisungen für die Nicht-Konstanten-Version gibt, wird diese höchstwahrscheinlich vom JIT-Compiler so optimiert, dass sie in der Release-Version außerhalb der Schleife liegen.
— Dmytro Mukalov
@DmytroMukalov Aber würde die Optimierung für eine nicht konstante Version nicht dazu führen, dass sie sich bei paralleler Ausführung anders verhält? Wie kann der Compiler es optimieren, wenn die Variable in einem anderen Thread geändert werden kann?
— Euphoric

Antworten:

4

Siehe https://benchmarkdotnet.org/articles/features/setup-and-cleanup.html

Ich glaube, Sie sollten [IterationSetup]statt verwenden [GlobalSetup]. Bei der globalen Einrichtung wird die dataÄnderung einmal geändert und dann dataüber Benchmarks hinweg wiederverwendet.

Also habe ich den Code geändert, um die richtige Initialisierung zu verwenden. Variablen geändert, um Überprüfungen häufiger zu machen. Und einige weitere Variationen hinzugefügt.

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System;

namespace PerfTest
{
    [DisassemblyDiagnoser(printAsm: true, printSource: true)]
    public class Test
    {
        private int[] data;
        private int[] data_iteration;

        private int Threshold = 50;
        private const int ConstThreshold = 50;

        [GlobalSetup]
        public void GlobalSetup()
        {
            data = new int[100000];
            var random = new Random(42);
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                data[i] = random.Next(100);
            }
        }

        [IterationSetup]
        public void IterationSetup()
        {
            data_iteration = new int[data.Length];
            Array.Copy(data, data_iteration, data.Length);
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            var summary = BenchmarkRunner.Run<Test>();
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToClassConstValue()
        {
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > ConstThreshold) data_iteration[i] = ConstThreshold;
            }
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToLocalConstValue()
        {
            const int ConstThresholdLocal = 50;
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > ConstThresholdLocal) data_iteration[i] = ConstThresholdLocal;
            }
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToInlineValue()
        {
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > 50) data_iteration[i] = 50;
            }
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToLocalVariable()
        {
            var ThresholdLocal = 50;
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > ThresholdLocal) data_iteration[i] = ThresholdLocal;
            }
        }

        [Benchmark(Baseline = true)]
        public void ClampToMemberValue()
        {
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > Threshold) data_iteration[i] = Threshold;
            }
        }
    }
}

Die Ergebnisse sehen normaler aus: 

BenchmarkDotNet=v0.12.0, OS=Windows 10.0.17134.1069 (1803/April2018Update/Redstone4)
Intel Core i7-8850H CPU 2.60GHz (Coffee Lake), 1 CPU, 12 logical and 6 physical cores
Frequency=2531250 Hz, Resolution=395.0617 ns, Timer=TSC
.NET Core SDK=3.0.100
  [Host]     : .NET Core 3.0.0 (CoreCLR 4.700.19.46205, CoreFX 4.700.19.46214), X64 RyuJIT
  Job-INSHHX : .NET Core 3.0.0 (CoreCLR 4.700.19.46205, CoreFX 4.700.19.46214), X64 RyuJIT

InvocationCount=1  UnrollFactor=1

|                 Method |     Mean |    Error |   StdDev |   Median | Ratio | RatioSD |
|----------------------- |---------:|---------:|---------:|---------:|------:|--------:|
| ClampToClassConstValue | 391.5 us | 17.86 us | 17.54 us | 384.2 us |  1.02 |    0.05 |
| ClampToLocalConstValue | 399.6 us |  9.49 us | 11.66 us | 399.0 us |  1.05 |    0.07 |
|     ClampToInlineValue | 384.1 us |  5.99 us |  5.00 us | 383.0 us |  1.00 |    0.06 |
|   ClampToLocalVariable | 382.7 us |  3.60 us |  3.00 us | 382.0 us |  1.00 |    0.05 |
|     ClampToMemberValue | 379.6 us |  8.48 us | 16.73 us | 371.8 us |  1.00 |    0.00 |

Es scheint keinen Unterschied zwischen verschiedenen Varianten zu geben. In diesem Szenario ist entweder alles optimiert oder const int in keiner Weise optimiert.

— Euphorisch
quelle
Ich habe auch damit herumgespielt und ich denke, Sie haben etwas vor, also danke für die Eingabe. Wenn das Array zwischen den Benchmarks überlebt, unterscheidet sich die Verzweigungsvorhersage zwischen den beiden Fällen. Ich werde noch ein bisschen herumstöbern.
— Brian Rasmussen
@BrianRasmussen Ich denke, ein Hauptunterschied besteht darin, dass, wenn das Array mit seinen Werten überlebt, nur der erste Benchmark, der ausgeführt wird, die Arbeit zum Ändern des Arrays erledigen muss. Für alle weiteren Benchmarks auf demselben Array wird das if niemals wahr sein.
— NineBerry
@ NineBerry guter Punkt. Wenn die meisten Tests mit den geänderten Werten ausgeführt werden, kann ich den Unterschied immer noch nicht erklären, aber das Einrichten der Iteration scheint wichtig zu sein, sodass hier etwas zu untersuchen ist. Danke euch beiden!
— Brian Rasmussen
Eigentlich war mein Punkt nicht so gut. Wenn der ursprüngliche Code in der Frage angegeben ist, GlobalSetupwird er zweimal ausgeführt, einmal vor jedem Benchmark, sodass beide Methoden mit derselben Vorbedingung beginnen.
— NineBerry
@ NineBerry Ja. Jede Methode wird jedoch viele Male ausgeführt, um Extreme auszugleichen. Für jede Methode gibt es also eine Iteration, die in Ordnung ist, und dann alle anderen Iterationen, die sich anders verhalten.
— Euphoric
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