原生代码与托管代码的一个简单性能对比
原生代码与托管代码的一个简单性能对比
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tag:托管代码,原生代码,性能对比
在网上看到一篇文章"托管代码和非托管代码效率的对比" ( http://www.cnblogs.com/wuchang/archive/2006/12/07/584997.html ),
作者用英特尔多核平台编码优化大赛的参考代码分别用非托管c、托管cpp、c#做了个简略的性能测试；但是对比有很多不公平的地方(后面会说明)，
所以自己也利用大赛的参考代码（英特尔多核平台编码优化大赛 http://contest.intel.csdn.net ）
来尝试对比一下原生代码与托管代码的性能(要对比它们的实际性能可能涉及到很多方面的测试，
比如整数运算、浮点运算、内存访问、商业应用、游戏应用、多媒体应用等等)，这里的结果仅供参考；
参与对比的代码: C++、Delphi、C++ CLR、C#、java (前面两个属于原生代码、后面3个属于托管代码); 我测试用的CPU :AMD64x2 3600+ （ 双核CPU，但测试使用的都是单线程，而且查看CPU占用后也确定没有代码“偷偷”优化为并行执行）; 32bit WindowsXP操作系统;
(2007.04.02 根据AhBian的回复，修改了C#的实现，将二维数组修改为一维数组，程序执行由5.64秒提高到3.92秒，速度提高了43%； 更新了一些相关的说明和结论分析； 谢谢AhBian :)
大赛公布的原始代码:
(组织者后来要求计算和输出精度到小数点后7位，这里的输出代码做了相应的调整。)
// * particles interacting via pairwise potential */
#include < stdio.h >
#include < stdlib.h >
#include < math.h >
#include < windows.h >
#include < time.h >
#define NPARTS 1000
#define NITER 201
#define DIMS 3
int rand( void );
int computePot( void );
void initPositions( void );
void updatePositions( void );
double r[DIMS][NPARTS];
double pot;
double distx, disty, distz, dist;
int main() {
int i;
clock_t start, stop;
initPositions();
updatePositions();
start = clock();
for ( i = 0 ; i < NITER; i ++ ) {
pot = 0.0 ;
computePot();
if (i % 10 == 0 ) printf( " %5d: Potential: %10.7f /n " , i, pot);
updatePositions();
}
stop = clock();
printf ( " Seconds = %10.9f /n " ,( double )(stop - start) / CLOCKS_PER_SEC);
getchar();
}
void initPositions() {
int i, j;
for ( i = 0 ; i < DIMS; i ++ )
for ( j = 0 ; j < NPARTS; j ++ )
r[i][j] = 0.5 + ( ( double ) rand() / ( double ) RAND_MAX );
}
void updatePositions() {
int i, j;
for ( i = 0 ; i < DIMS; i ++ )
for ( j = 0 ; j < NPARTS; j ++ )
r[i][j] -= 0.5 + ( ( double ) rand() / ( double ) RAND_MAX );
}
int computePot() {
int i, j;
for ( i = 0 ; i < NPARTS; i ++ ) {
for ( j = 0 ; j < i - 1 ; j ++ ) {
distx = pow( (r[ 0 ][j] - r[ 0 ][i]), 2 );
disty = pow( (r[ 1 ][j] - r[ 1 ][i]), 2 );
distz = pow( (r[ 2 ][j] - r[ 2 ][i]), 2 );
dist = sqrt( distx + disty + distz );
pot += 1.0 / dist;
}
}
return 0 ;
}
测试代码的调整：
测试时，我把pow(x,2)，改为了x*x的形式，从而避免了不同的库中pow函数的不同实现造成的问题；
( pow(x,y)的实现的时候，有一个两难的选择，就是要不要特殊处理y是整数的情况；
因为y是整数的时候就可以用一个快速算法完成(一般用2分法)；
如果y有小数部分，就会采用其他方案，（不考虑正负号）一般的实现是：exp(ln(x)*y) ,这个就比较慢了
有的库设计者可能会要求调用者自己决定调用intpow(或者重载pow函数)或pow函数，从而得到最快的速度；
有的库的实现可能就把这两个函数都实现在pow里，对调用者降低要求 （这个常见一些） )
为了避免计算之外的其他干扰，我自己写了随机函数的实现，保证结果一致、可对比（运行结果完全一致）和可重现；
将代码中 x/(double)RAND_MAX 改为 x* (1.0/RAND_MAX))等； (输出几乎不占用时间);
经过这些处理，computePot的运行时间占总时间的98%左右,然后就可以测试代码的比较真实的运行时间；
先来看看原生代码主力军C++的实现:
/* particles interacting via pairwise potential */
#include < stdio.h >
#include < stdlib.h >
#include < math.h >
#include < time.h >
#define NPARTS 1000
#define NITER 201
#define DIMS 3
int computePot( void );
void initPositions( void );
void updatePositions( void );
double r[DIMS][NPARTS];
double pot;
double distx, disty, distz, dist;
// const int RAND_MAX = 0x7fff;
class CMyRand
{
private :
long _my_holdrand;
public :
CMyRand():_my_holdrand( 1 ){ }
long Next()
{
long result = _my_holdrand * 214013 + 2531011 ;
_my_holdrand = result;
return ( (result >> 16 ) & RAND_MAX );
}
};
CMyRand random;
int main() {
int i;
clock_t start, stop;
initPositions();
updatePositions();
start = clock();
for ( i = 0 ; i < NITER; i ++ ) {
pot = 0.0 ;
computePot();
if (i % 10 == 0 ) printf( " %5d: Potential: %20.7f /n " , i, pot);
updatePositions();
}
stop = clock();
printf ( " Seconds = %10.9f /n " ,( double )(stop - start) / CLOCKS_PER_SEC);
getchar();
}
void initPositions() {
int i, j;
for ( i = 0 ; i < DIMS; i ++ )
for ( j = 0 ; j < NPARTS; j ++ )
r[i][j] = 0.5 + ( random.Next() * ( 1.0 / RAND_MAX) );
}
void updatePositions() {
int i, j;
for ( i = 0 ; i < DIMS; i ++ )
for ( j = 0 ; j < NPARTS; j ++ )
r[i][j] -= 0.5 + ( random.Next() * ( 1.0 / RAND_MAX) );
}
int computePot() {
int i, j;
for ( i = 0 ; i < NPARTS; i ++ ) {
for ( j = 0 ; j < i - 1 ; j ++ ) {
distx = (r[ 0 ][j] - r[ 0 ][i]) * (r[ 0 ][j] - r[ 0 ][i]);
disty = (r[ 1 ][j] - r[ 1 ][i]) * (r[ 1 ][j] - r[ 1 ][i]);
distz = (r[ 2 ][j] - r[ 2 ][i]) * (r[ 2 ][j] - r[ 2 ][i]);
dist = sqrt( distx + disty + distz );
pot += 1.0 / dist;
}
}
return 0 ;
}
代码 编译环境 release下运行时间(秒)
C++ vs2005 2.11(/fp:fast) 2.45(/fp:precise) 3.70(/fp:strict) 2.359(/fp:fast /arch:SSE2)
(vc2005对于浮点运算提供了3种编译模型fast、precise、strict，所以分别进行了测试；并且测试了在打开SSE2优化的情况下的速度；)
Delphi的代码
{$APPTYPE CONSOLE}
uses
math,SysUtils;
const NPARTS = 1000 ;
const NITER = 201 ;
const DIMS = 3 ;
var r:array [ 0 ..DIMS - 1 ] of array [ 0 ..NPARTS - 1 ] of double ;
var pot: double ;
var distx, disty, distz, dist: double ;
const RAND_MAX = $7fff;
type
CMyRand = class (TObject)
private
_my_holdrand:integer;
public
constructor Create;
function Next():Integer;
end;
constructor CMyRand.Create();
begin
_my_holdrand: = 1 ;
end;
function CMyRand.Next():Integer;
begin
result: = _my_holdrand * 214013 + 2531011 ;
_my_holdrand : = result;
result: = ( (result shr 16 ) and RAND_MAX );
end;
var random:CMyRand;
procedure initPositions();
var
i, j:integer;
begin
for i: = 0 to DIMS - 1 do
for j: = 0 to NPARTS - 1 do
r[i][j] : = 0.5 + ( random.Next() * ( 1.0 / RAND_MAX) );
end;
procedure updatePositions();
var
i, j:integer;
begin
for i: = 0 to DIMS - 1 do
for j: = 0 to NPARTS - 1 do
r[i][j] : = r[i][j] - ( 0.5 + ( random.Next() * ( 1.0 / RAND_MAX) ) );
end;
function computePot():integer;
var
i, j:integer;
begin
for i: = 0 to NPARTS - 1 do
begin
for j: = 0 to i - 2 do
begin
distx : = (r[ 0 ][j] - r[ 0 ][i]) * (r[ 0 ][j] - r[ 0 ][i]);
disty : = (r[ 1 ][j] - r[ 1 ][i]) * (r[ 1 ][j] - r[ 1 ][i]);
distz : = (r[ 2 ][j] - r[ 2 ][i]) * (r[ 2 ][j] - r[ 2 ][i]);
dist : = sqrt( distx + disty + distz );
pot : = pot + 1.0 / dist;
end;
end;
result: = 0 ;
end;
const
CLOCKS_PER_SEC = 1.0 / ( 24 * 60 * 60 );
// main
var
i:integer;
start, stop:Tdatetime;
tmpChar : Char;
begin
random: = CMyRand.Create();
initPositions();
updatePositions();
start: = now();
for i: = 0 to NITER - 1 do
begin
pot : = 0.0 ;
computePot();
if (i mod 10 = 0 ) then Writeln( format( ' %5d: Potential: %20.7f ' , [i, pot]) );
updatePositions();
end;
stop: = now;
Writeln( format( ' Seconds = %10.9f ' ,[( double (stop) - double (start)) / CLOCKS_PER_SEC]) );
read(tmpChar);
end.
代码 编译环境 release下运行时间(秒)
Delphi TurboDelphi 3.93
Delphi Delphi7 5.81
C++托管环境
代码和前面的C++代码完全一样;测试时用VC2005把前面的C++代码直接编译为托管代码；
代码 编译环境 release下运行时间(秒)
C++ CLR vs2005 2.34
C#代码
static class Program
{
static int RAND_MAX = 0x7fff ;
class CMyRand
{
private long _my_holdrand = 1 ;
public long Next()
{
long result = _my_holdrand * 214013 + 2531011 ;
_my_holdrand = result;
return ( (result >> 16 ) & RAND_MAX );
}
};
static CMyRand random = new CMyRand();
static int NPARTS = 1000 ;
static int NITER = 201 ;
static int DIMS = 3 ;
static double pot;
static double distx, disty, distz, dist;
static double [] r = new double [DIMS * NPARTS];
static int CLOCKS_PER_SEC = 1000 ;
static void Main()
{
int i;
int start, stop;
initPositions();
updatePositions();
start = Environment.TickCount;
for (i = 0 ; i < NITER; i ++ )
{
pot = 0.0 ;
computePot();
if (i % 10 == 0 ) Console.WriteLine( " {0}: Potential: {1:##########.#######} " , i, pot);
updatePositions();
}
stop = Environment.TickCount;
Console.WriteLine( " Seconds = {0:##########.#########} " , ( double )(stop - start) / CLOCKS_PER_SEC);
Console.ReadLine();
}
static void initPositions()
{
for ( int i = 0 ; i < DIMS; i ++ )
for ( int j = 0 ; j < NPARTS; j ++ )
r[i + j * DIMS] = 0.5 + (random.Next() * ( 1.0 / RAND_MAX));
}
static void updatePositions()
{
for ( int i = 0 ; i < DIMS; i ++ )
for ( int j = 0 ; j < NPARTS; j ++ )
r[i + j * DIMS] -= 0.5 + (random.Next() * ( 1.0 / RAND_MAX));
}
static int computePot()
{
for ( int i = 0 ; i < NPARTS; i ++ )
{
for ( int j = 0 ; j < i - 1 ; j ++ )
{
distx = (r[ 0 + j * DIMS] - r[ 0 + i * DIMS]) * (r[ 0 + j * DIMS] - r[ 0 + i * DIMS]);
disty = (r[ 1 + j * DIMS] - r[ 1 + i * DIMS]) * (r[ 1 + j * DIMS] - r[ 1 + i * DIMS]);
distz = (r[ 2 + j * DIMS] - r[ 2 + i * DIMS]) * (r[ 2 + j * DIMS] - r[ 2 + i * DIMS]);
dist = Math.Sqrt(distx + disty + distz);
pot += 1.0 / dist;
}
}
return 0 ;
}
}
代码 编译环境 release下运行时间(秒)
C# vs2005 3.92
(2007.04.02，根据AhBian的回复，修改了C#的实现，将二维数组修改为一维数组实现，程序执行由5.64秒提高到3.92秒)
java代码
public class CMyRand {
public static int RAND_MAX = 0x7fff ;
private long _my_holdrand = 1 ;
public long Next()
{
long result = _my_holdrand * 214013 + 2531011 ;
_my_holdrand = result;
return ( (result >> 16 ) & RAND_MAX );
}
}
////////// /
import java.io.IOException;
import java.lang. * ;
public final class Program {
static CMyRand random = new CMyRand();
static int NPARTS = 1000 ;
static int NITER = 201 ;
static int DIMS = 3 ;
static double pot;
static double distx, disty, distz, dist;
static double [][] r = new double [DIMS][NPARTS];
static int CLOCKS_PER_SEC = 1000 ;
public static void main(String[] args) {
int i;
long start, stop;
initPositions();
updatePositions();
start = System.currentTimeMillis();
for (i = 0 ; i < NITER; i ++ )
{
pot = 0.0 ;
computePot();
if (i % 10 == 0 ) System.out.println( "" + i + " : Potential: " + pot);
updatePositions();
}
stop = System.currentTimeMillis();
System.out.println( " Seconds =} " + (( double )(stop - start) / CLOCKS_PER_SEC));
try {
System.in.read();
} catch (IOException e) {
// TODO 自动生成 catch 块
e.printStackTrace();
}
}
static void initPositions()
{
for ( int i = 0 ; i < DIMS; i ++ )
for ( int j = 0 ; j < NPARTS; j ++ )
r[i][j] = 0.5 + (random.Next() * ( 1.0 / CMyRand.RAND_MAX));
}
static void updatePositions()
{
for ( int i = 0 ; i < DIMS; i ++ )
for ( int j = 0 ; j < NPARTS; j ++ )
r[i][j] -= 0.5 + (random.Next() * ( 1.0 / CMyRand.RAND_MAX));
}
static int computePot()
{
for ( int i = 0 ; i < NPARTS; i ++ )
{
for ( int j = 0 ; j < i - 1 ; j ++ )
{
distx = (r[ 0 ][j] - r[ 0 ][i]) * (r[ 0 ][j] - r[ 0 ][i]);
disty = (r[ 1 ][j] - r[ 1 ][i]) * (r[ 1 ][j] - r[ 1 ][i]);
distz = (r[ 2 ][j] - r[ 2 ][i]) * (r[ 2 ][j] - r[ 2 ][i]);
dist = Math.sqrt(distx + disty + distz);
pot += 1.0 / dist;
}
}
return 0 ;
}
}
代码 编译环境 release下运行时间(秒)
java eclipse3.2.1(jre1.6) 3.34
/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
数据对比和分析:
代码 编译环境 release下运行时间(秒)
C++ vs2005 2.11(/fp:fast) 2.45(/fp:precise) 3.70(/fp:strict) 2.359(/fp:fast /arch:SSE2)
Delphi TurboDelphi 3.93 (Delphi7 5.81)
C++ CLR vs2005 2.34
C# vs2005 3.92
java eclipse3.2.1(jre1.6) 3.34
从这次测试的结果来看,托管代码的性能与原生代码的性能已经在同一个水平线上了,差别不大;
C++和托管C++分别排在了原生代码和托管代码的第一位；
Delphi系列一直对浮点的优化都比较弱(Delphi7对浮点运算几乎没有任何优化)，
C#和java语言为了代码的安全性和开发速度等付出了一些运行时的性能代价(比如数组访问时的边界检查)，但也不是太严重，如果除去这些设计方面的因素，它们的执行性能将更好；对于托管C++的设计，看来在.net平台中还是很有存在的必要的；
一直有一种说法：托管代码在原理上完全有可能达到甚至超过原生编译的代码； 现在，托管代码和原生代码在性能上已经非常的接近！ 而且让人难以相信的是托管C++生成的代码速度已经非常接近了原生C++的代码速度；(刚开始有点不相信，就去查了一下托管C++生成的程序,里面确实是.net字节码；它在运行的时候才进一步编译成本地机器码来执行的);
这对我来说是一个很大的观念转变；以前也知道托管代码的速度有可能超越原生代码，但总以为目前还差得远，没想到这一天来得这么快！
ps:我也参加了这次intel的优化大赛,使用的C++&SSE2优化,单线程执行速度0.91s，双核并行执行为0.453s；我的blog上已经公布了该优化的源代码和报告; (我的代码的速度排在参赛者里面的第2位，排第1位的代码在AMDx2 3600+上比我的代码快20%多，在酷睿2 4400上比我的代码略快(一般不超过1%) ; 我倒是很想知道在托管代码中如何做出这些“bt”的优化:)