この場合にconstを使用するオーバーヘッドを説明できるものは何ですか？

9

私はここの壁に頭をぶつけているので、あなたの何人かが私を教育することができるかもしれないことを願っています。私はBenchmarkDotNetを使用していくつかのパフォーマンスベンチマークを行っていましたが、メンバーを宣言するとconstパフォーマンスが大幅に低下すると思われるこの奇妙なケースに遭遇しました。

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;
            }
        }
    }
}

2つのテストメソッドの唯一の違いは、通常のメンバー変数またはconstメンバーと比較するかどうかです。

BenchmarkDotNetによると、const値を使用すると大幅に遅くなり、その理由がわかりません。

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 |

JITコンパイル済みコードを確認しても、私の知る限りでは説明しません。2つのメソッドのコードは次のとおりです。唯一の違いは、比較がレジスタに対して行われるか、リテラルに対して行われるかです。

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

そして

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

見落としていることは確かにありますが、現時点ではそれを理解することはできないので、これを説明できるものについての入力を探しています。

c#  performance  benchmarkdotnet 
— ブライアンラスムッセン
ソース
@OlivierRogier Debugで実行すると、BenchmarkDotNetが失敗することを覚えています。
— 陶酔
実際、ストップウォッチを使用すると、ILコードがより多くのオペランドを使用していても、const intを使用すると、単純なa * a ...のフィールドよりも少し遅いことが証明されます。
— Olivier Rogier
1
BenchmarkDotNet 12.0と.Net Framework 4,8を使用して、質問の正確なコードを実行しましたが、x86で実行した場合、2つのメソッドの結果に意味のある違いは見られません。x64に切り替えると、観察された違いがわかります。
— NineBerry、
cmpそしてmovCONSTパスのために使用される命令レジスタベースの命令よりも多くのメモリを占有する数値をコードする追加のバイトを必要とし、実行するための合計テイク以上のCPUサイクル（5つのバイト対9バイトであるためmov、およびCMPの5つのバイト対6バイト） 。またmov ecx,dword ptr [rcx+10h]、非constバージョンの追加の指示がある場合でも、リリースバージョンのループの外にあるようにJITコンパイラーによって最適化される可能性が最も高くなります。
— Dmytro Mukalov
@DmytroMukalovしかし、非constバージョンの最適化により、並列実行での動作が異なるのではないでしょうか？変数を別のスレッドで変更できる場合、コンパイラーはそれをどのように最適化できますか。
— 陶酔

回答:

4

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

の[IterationSetup]代わりに使用する必要があると思います[GlobalSetup]。グローバルセットアップでは、dataが一度変更され、その後、変更dataはベンチマーク全体で再利用されます。

そこで、適切な初期化を使用するようにコードを変更しました。チェックをより頻繁にするために変数を変更しました。そして、いくつかのバリエーションを追加しました。

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;
            }
        }
    }
}

結果はより正常に見えます： 

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 |

異なる亜種の間に違いはないようです。このシナリオでは、すべてが最適化されているか、またはconst intが最適化されていません。

— 陶酔
ソース
私もこれで遊んでいて、あなたは何かに夢中になっていると思うので、入力に感謝します。配列がベンチマーク間で存続する場合、分岐予測は2つのケース間で異なります。もう少し調べてみます。
— Brian Rasmussen
@BrianRasmussen 1つの主な違いは、配列がその値で存続する場合、実行される最初のベンチマークのみが配列を変更する作業を実行する必要があることです。同じアレイのそれ以降のすべてのベンチマークでは、ifは決して真ではありません。
— NineBerry、
@NineBerry良い点。テストの大部分が変更された値で実行される場合、私はまだ違いを説明することはできませんが、反復セットアップを行うことが重要であるように思われるので、ここで掘り下げるものがあります。二人ともありがとう！
— Brian Rasmussen
実は私のポイントはあまり良くありませんでした。問題の元のコードを考えると、GlobalSetup各ベンチマークの前に1回ずつ、2回実行されるため、両方のメソッドは同じ前提条件で開始されます。
— NineBerry、
@NineBerryはい。しかし、各メソッドは、極端を滑らかにする方法として何度も実行されます。したがって、各メソッドには、問題のない1つの反復と、動作が異なる他のすべての反復があります。
— 陶酔
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