深入探讨用位掩码代替分支（5）：C#2010速度测试

　　前面我们测试了C语言这样纯编译型语言。那么对于像C#这样由虚拟机执行的语言，“位掩码代替分支”法是否也有效果呢？于是本文对此进行探讨。

一、移植要点

　　C#的语法与C语言很相像，多数代码可以直接用，但要注意以下几点。

1.1 unsafe——不安全上下文

　　C#虽然支持指针，但必须在unsafe——不安全上下文 中才能使用。

　　要使用unsafe，必须先配置项目属性，允许不安全代码——
1.项目->属性，打开项目的属性页。
2.点击左侧“生成”，切换到“生成”页。
3.点击上侧的“配置”组合框，选择“所有配置(C)”。
4.勾选“常规”中的“允许不安全代码(F)”。
5.点击工具栏上的“保存”按钮。

　　unsafe有两种用法——
1.unsafe方法。在函数的声明中增加“unsafe”关键字。
2.unsafe区块。在函数内，使用“unsafe{ ... }”标识不安全代码的区块。

　　当函数有指针参数时，只能使用第1种方法。
　　例如，C语言中f0_if函数的声明为——
void f0_if(BYTE* pbufD, const signed short* pbufS, int cnt)

　　而在C#中，该函数的声明应改为——
static unsafe void f0_if(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)

　　因为f0_if不会修改对象成员，所以应加上“static”关键字表示它是静态函数，而不是对象的成员方法。

1.2 unchecked——不检查整数溢出

　　在C语言中不会检查整数溢出，正好被我们的位运算算法所利用。而在C#中，可以配置整数溢出检查的，具体配置方法为——
1.项目->属性，打开项目的属性页。
2.点击左侧“生成”，切换到“生成”页。
3.将滚动条拉到最下面，点击“输出”中的“高级”，打开“高级生成设置”对话框。
4.在“常规”中有一个“检查运算上溢/下溢(K)”。

　　若配置了“检查运算上溢/下溢(K)”，当整数溢出时会抛出异常，打断程序流程。这对我们的位运算算法来说是不利的。怎么办呢？
　　应使用unchecked关键字来取消整数溢出检查。
　　unchecked关键字有两种用法，一种是作为区块，一种是作为函数。
　　在我们的测试函数中有大量的整数运算，使用unchecked区块更加方便。

1.3 类型检查更严格

　　C#的类型检查比C语言更加严格。所以得增加更多的强制类型转换，否则编译器会发出警告甚至报错。

　　例如这一行C语言代码——
pD[0] = (pS[0]<0) ? 0 : ( (pS[0]>255) ? 255 : (BYTE)pS[0] );

　　在C#中，得写成——
pD[0] = (pS[0] < 0) ? (byte)0 : ((pS[0] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[0]);

　　结合以上3点，将f0_if函数转为C#语法——

// 用if分支做饱和处理static unsafe void f0_if(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt){short* pS = pbufS;byte* pD = pbufD;int i;for (i = 0; i < cnt; ++i){// 分别对4个通道做饱和处理pD[0] = (pS[0] < 0) ? (byte)0 : ((pS[0] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[0]);pD[1] = (pS[1] < 0) ? (byte)0 : ((pS[1] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[1]);pD[2] = (pS[2] < 0) ? (byte)0 : ((pS[2] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[2]);pD[3] = (pS[3] < 0) ? (byte)0 : ((pS[3] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[3]);// nextpS += 4;pD += 4;}}

　　其他测试函数也可以这样处理。

1.4 C#中不支持宏

　　在C#中不支持宏，所以在移植f2_neg、f3_sar函数时，得手动实现代码。

　　虽然可以将LIMITSU_BYTE这些宏改写为函数，但函数调用开销会影响性能。于是增加了f2_negB、f3_sarB这两个测试函数来验证这一论断。

1.5 bool转整数

　　在C语言中，逻辑比较的结果是整型，这样有助于位运算算法。
　　但在C#，单独设计了bool类型，与整型隔离。甚至不允许强制转换，只能用Convert.ToInt16方法将bool转整数。

　　例如将f2_neg函数转为C#语法——

// 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码static unsafe void f2_neg(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt){unchecked{short* pS = pbufS;byte* pD = pbufD;int i;for (i = 0; i < cnt; ++i){// 分别对4个通道做饱和处理pD[0] = (byte)(pS[0] & -Convert.ToInt16(pS[0] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[0] >= 256));pD[1] = (byte)(pS[1] & -Convert.ToInt16(pS[1] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[1] >= 256));pD[2] = (byte)(pS[2] & -Convert.ToInt16(pS[2] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[2] >= 256));pD[3] = (byte)(pS[3] & -Convert.ToInt16(pS[3] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[3] >= 256));// nextpS += 4;pD += 4;}}}

　　Convert.ToInt16会带来函数调用开销，影响性能。而且，貌似它内部是采用分支实现bool到整数的转换的，又带了跳转堵塞流水线的问题。

1.6 delegate——委托

　　虽然C#不支持函数指针，但可以使用委托。
　　C语言中，我们是这样定义测试函数的类型的——
typedef void (*TESTPROC)(BYTE* pbufD, const signed short* pbufS, int cnt);

　　在C#中改为委托——
unsafe delegate void TESTPROC(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt);

　　因含有指针参数，所以得加上unsafe关键字。而且必须处于unsafe区块才能使用该委托，例如——

// 进行测试unsafe{runTest("f0_if", f0_if);runTest("f1_min", f1_min);runTest("f2_neg", f2_neg);runTest("f2_negB", f2_negB);runTest("f3_sar", f3_sar);runTest("f3_sarB", f3_sarB);}

1.7 fixed——绑定指针

　　在C#中，不能像C语言那样随时可以用&运算符获取地址。得使用fixed语句来绑定变量、获取指针。MSDN对它的说明——
http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/f58wzh21.aspx
fixed 语句禁止垃圾回收器重定位可移动的变量。 fixed 语句只在不安全的上下文中是允许的。 Fixed 还可用于创建固定大小缓冲区。
fixed 语句设置指向托管变量的指针，并在执行该语句期间“固定”此变量。 如果没有 fixed 语句，则指向可移动托管变量的指针的作用很小，因为垃圾回收可能不可预知地重定位变量。 C# 编译器只允许在 fixed 语句中分配指向托管变量的指针。

　　在这里，我们利用fixed语句来获得bufS、bufD这两个缓冲区的指针。注意它们类型不同，所以得嵌套使用fixed语句。
　　将runTest函数转为C#语法——

// 进行测试static unsafe void runTest(string szname, TESTPROC proc){int i, j;Stopwatch stw = new Stopwatch();// 执行时间// 绑定指针fixed (short* pbufS = &bufS[0]){fixed (byte* pbufD = &bufD[0]){// 开始测试for (i = 1; i <= 3; ++i)// 多次测试{stw.Reset();stw.Start();// mainfor (j = 1; j <= 4000; ++j)// 重复运算几次延长时间，避免计时精度问题{proc(pbufD, pbufS, DATASIZE);}// showstw.Stop();//_tprintf(_T("%s[%d]:\t%u\n"), szname, i, tm1);Console.WriteLine("{0}[{1}]:\t{2}", szname, i, stw.ElapsedMilliseconds);}}}}

1.8 平台配置

　　在VS2010中，C#支持多种平台。本文将测试其中三种——Any、x86、x64。
　　点击菜单栏的 生成->配置管理器，打开“配置管理器”对话框。C#的默认平台是“x86”，新建平台“Any”、“x64”。

　　还要注意配置好输出路径，别发生冲突。
1.项目->属性，打开项目的属性页。
2.点击左侧“生成”，切换到“生成”页。
3.点击上侧的“配置”组合框，切换配置。
4.点击上侧的“平台”组合框，切换平台。
5.修改“输出”中的“输出路径”。
6.重复第3步至第5步，直到配置好所有平台和配置。
7.点击工具栏上的“保存”按钮。

　　建议将输出路径配置为——
Any：bin\Debug\，bin\Release\
x86：bin\x86\Debug\，bin\x86\Release\
x64：bin\x64\Debug\，bin\x64\Release\

　　请参考——
http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms185328.aspx
如何：配置项目以面向目标平台

 

1.9 平台判断

　　虽然C#中提供了Environment.Is64BitProcess来判断WOW64。但是现在有3种平台，该方法不适合。 这时最好使用条件编译来做平台判断。
　　先在项目属性页中配置条件编译符号——
Any：（无）
x86：ISX86
x64：ISX64

　　然后在代码中使用条件编译语句——

#if (ISX86)string sBitCode = "x86";#elif (ISX64)string sBitCode = "x64";#elsestring sBitCode = "any";#endifConsole.Write("== noif:C#2010({0}) on {1}bit ==", sBitCode, nBitSys);

二、全部代码

　　全部代码——

using System;//using System.Collections.Generic;//using System.Linq;//using System.Text;using System.Diagnostics;namespace noifCS2010{/// <summary>/// 用位掩码代替分支：C#2010性能测试/// </summary>/// <remarks>Author: zyl910</remarks>class CnoifCS2010{const int DATASIZE = 16384;// 128KB / (sizeof(signed short) * 4)static short[] bufS = new short[DATASIZE * 4];// 源缓冲区。64位的颜色（4通道，每通道16位）static byte[] bufD = new byte[DATASIZE * 4];// 目标缓冲区。32位的颜色（4通道，每通道8位）unsafe delegate void TESTPROC(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt);// 用if分支做饱和处理static unsafe void f0_if(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt){short* pS = pbufS;byte* pD = pbufD;int i;for (i = 0; i < cnt; ++i){// 分别对4个通道做饱和处理pD[0] = (pS[0] < 0) ? (byte)0 : ((pS[0] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[0]);pD[1] = (pS[1] < 0) ? (byte)0 : ((pS[1] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[1]);pD[2] = (pS[2] < 0) ? (byte)0 : ((pS[2] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[2]);pD[3] = (pS[3] < 0) ? (byte)0 : ((pS[3] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[3]);// nextpS += 4;pD += 4;}}// 用min、max饱和处理static unsafe void f1_min(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt){short* pS = pbufS;byte* pD = pbufD;int i;for (i = 0; i < cnt; ++i){// 分别对4个通道做饱和处理pD[0] = (byte)Math.Min(Math.Max((byte)0, pS[0]), (byte)255);pD[1] = (byte)Math.Min(Math.Max((byte)0, pS[1]), (byte)255);pD[2] = (byte)Math.Min(Math.Max((byte)0, pS[2]), (byte)255);pD[3] = (byte)Math.Min(Math.Max((byte)0, pS[3]), (byte)255);// nextpS += 4;pD += 4;}}// 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码static unsafe void f2_neg(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt){unchecked{short* pS = pbufS;byte* pD = pbufD;int i;for (i = 0; i < cnt; ++i){// 分别对4个通道做饱和处理pD[0] = (byte)(pS[0] & -Convert.ToInt16(pS[0] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[0] >= 256));pD[1] = (byte)(pS[1] & -Convert.ToInt16(pS[1] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[1] >= 256));pD[2] = (byte)(pS[2] & -Convert.ToInt16(pS[2] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[2] >= 256));pD[3] = (byte)(pS[3] & -Convert.ToInt16(pS[3] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[3] >= 256));// nextpS += 4;pD += 4;}}}static byte LIMITSU_BYTE(short n){unchecked{return (byte)(n & -Convert.ToInt16(n >= 0) | -Convert.ToInt16(n >= 256));}}// 调用LIMITSU_BYTE函数static unsafe void f2_negB(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt){unchecked{short* pS = pbufS;byte* pD = pbufD;int i;for (i = 0; i < cnt; ++i){// 分别对4个通道做饱和处理pD[0] = LIMITSU_BYTE(pS[0]);pD[1] = LIMITSU_BYTE(pS[1]);pD[2] = LIMITSU_BYTE(pS[2]);pD[3] = LIMITSU_BYTE(pS[3]);// nextpS += 4;pD += 4;}}}// 用位掩码做饱和处理.用求负生成掩码static unsafe void f3_sar(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt){unchecked{short* pS = pbufS;byte* pD = pbufD;int i;for (i = 0; i < cnt; ++i){// 分别对4个通道做饱和处理pD[0] = (byte)(((ushort)pS[0] | ((short)(255 - pS[0]) >> 15)) & ~(pS[0] >> 15));pD[1] = (byte)(((ushort)pS[1] | ((short)(255 - pS[1]) >> 15)) & ~(pS[1] >> 15));pD[2] = (byte)(((ushort)pS[2] | ((short)(255 - pS[2]) >> 15)) & ~(pS[2] >> 15));pD[3] = (byte)(((ushort)pS[3] | ((short)(255 - pS[3]) >> 15)) & ~(pS[3] >> 15));// nextpS += 4;pD += 4;}}}static byte LIMITSW_BYTE(short n){unchecked{return (byte)(((ushort)n | ((short)(255 - n) >> 15)) & ~(n >> 15));}}// 调用LIMITSW_BYTE函数static unsafe void f3_sarB(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt){unchecked{short* pS = pbufS;byte* pD = pbufD;int i;for (i = 0; i < cnt; ++i){// 分别对4个通道做饱和处理pD[0] = LIMITSW_BYTE(pS[0]);pD[1] = LIMITSW_BYTE(pS[1]);pD[2] = LIMITSW_BYTE(pS[2]);pD[3] = LIMITSW_BYTE(pS[3]);// nextpS += 4;pD += 4;}}}// 进行测试static unsafe void runTest(string szname, TESTPROC proc){int i, j;Stopwatch stw = new Stopwatch();// 执行时间// 绑定指针fixed (short* pbufS = &bufS[0]){fixed (byte* pbufD = &bufD[0]){// 开始测试for (i = 1; i <= 3; ++i)// 多次测试{stw.Reset();stw.Start();// mainfor (j = 1; j <= 4000; ++j)// 重复运算几次延长时间，避免计时精度问题{proc(pbufD, pbufS, DATASIZE);}// showstw.Stop();//_tprintf(_T("%s[%d]:\t%u\n"), szname, i, tm1);Console.WriteLine("{0}[{1}]:\t{2}", szname, i, stw.ElapsedMilliseconds);}}}}static void Main(string[] args){int i;// 循环变量//Console.WriteLine("Hello the world!");int nBitSys = (Environment.Is64BitOperatingSystem) ? 64 : 32;//int nBitCode = (Environment.Is64BitProcess) ? 64 : 32;//Console.Write("== noif:C#2010({0}) on {1}bit ==", nBitCode, nBitSys);#if (ISX86)string sBitCode = "x86";#elif (ISX64)string sBitCode = "x64";#elsestring sBitCode = "any";#endifConsole.Write("== noif:C#2010({0}) on {1}bit ==", sBitCode, nBitSys);// 初始化Random rnd = new Random();for (i = 0; i < DATASIZE*4; ++i){bufS[i] = (short)((rnd.Next() & 0x1FF) - 128);// 使数值在 [-128, 383] 区间}// 准备开始。可以将将进程优先级设为实时if (args.Length <= 0){Console.Write("<Press any key to continue>");Console.ReadKey(true);}Console.WriteLine();// 进行测试unsafe{runTest("f0_if", f0_if);runTest("f1_min", f1_min);runTest("f2_neg", f2_neg);runTest("f2_negB", f2_negB);runTest("f3_sar", f3_sar);runTest("f3_sarB", f3_sarB);}// 结束前提示if (args.Length <= 0){Console.Write("<Press any key to exit>");Console.ReadKey(true);}Console.WriteLine();}}}

三、编译与测试

　　点击菜单栏的 生成->批生成。生成Release版。

　　生成完毕后，将会有以下三个可执行文件——
bin\Release\noifCS2010.exe
bin\x86\Release\noifCS2010.exe
bin\x64\Release\noifCS2010.exe

　　在32位winXP上的测试结果——

== noif:C#2010(any) on 32bit ==<Press any key to continue>f0_if[1]:       1935f0_if[2]:       1922f0_if[3]:       1921f1_min[1]:      2139f1_min[2]:      2144f1_min[3]:      2147f2_neg[1]:      2472f2_neg[2]:      2471f2_neg[3]:      2458f2_negB[1]:     2641f2_negB[2]:     2660f2_negB[3]:     2640f3_sar[1]:      562f3_sar[2]:      559f3_sar[3]:      557f3_sarB[1]:     813f3_sarB[2]:     823f3_sarB[3]:     822== noif:C#2010(x86) on 32bit ==<Press any key to continue>f0_if[1]:       1930f0_if[2]:       1931f0_if[3]:       1904f1_min[1]:      2153f1_min[2]:      2142f1_min[3]:      2142f2_neg[1]:      2437f2_neg[2]:      2464f2_neg[3]:      2462f2_negB[1]:     2641f2_negB[2]:     2637f2_negB[3]:     2642f3_sar[1]:      556f3_sar[2]:      545f3_sar[3]:      545f3_sarB[1]:     822f3_sarB[2]:     812f3_sarB[3]:     823

　　在64位win7上的测试结果——

== noif:C#2010(any) on 64bit ==<Press any key to continue>f0_if[1]:       1902f0_if[2]:       1871f0_if[3]:       1871f1_min[1]:      1919f1_min[2]:      1918f1_min[3]:      1916f2_neg[1]:      2409f2_neg[2]:      2406f2_neg[3]:      2405f2_negB[1]:     2956f2_negB[2]:     2954f2_negB[3]:     2954f3_sar[1]:      652f3_sar[2]:      651f3_sar[3]:      650f3_sarB[1]:     1032f3_sarB[2]:     1031f3_sarB[3]:     1031== noif:C#2010(x86) on 64bit ==<Press any key to continue>f0_if[1]:       1857f0_if[2]:       1829f0_if[3]:       1829f1_min[1]:      2073f1_min[2]:      2071f1_min[3]:      2076f2_neg[1]:      2340f2_neg[2]:      2342f2_neg[3]:      2340f2_negB[1]:     2540f2_negB[2]:     2541f2_negB[3]:     2540f3_sar[1]:      516f3_sar[2]:      516f3_sar[3]:      515f3_sarB[1]:     766f3_sarB[2]:     765f3_sarB[3]:     766== noif:C#2010(x64) on 64bit ==<Press any key to continue>f0_if[1]:       1883f0_if[2]:       1865f0_if[3]:       1864f1_min[1]:      1913f1_min[2]:      1911f1_min[3]:      1911f2_neg[1]:      2399f2_neg[2]:      2396f2_neg[3]:      2400f2_negB[1]:     2949f2_negB[2]:     2949f2_negB[3]:     2949f3_sar[1]:      652f3_sar[2]:      651f3_sar[3]:      651f3_sarB[1]:     1031f3_sarB[2]:     1030f3_sarB[3]:     1030

　　硬件环境——
CPU：Intel Core i3-2310M, 2100 MHz
内存：DDR3-1066

源码下载——
http://files.cnblogs.com/zyl910/noifCS2010.rar
（建议阅读编译器生成的汇编代码。提示：使用ILSPY）