为什么在Swift调试模式下，for-in循环比while循环慢？

Question

为什么在Swift调试模式下，for-in循环比while循环慢？ 如果您认为是运行在“无优化”模式下的话，是这样的。

下面的代码比较了for-in和while在“无优化”模式下的执行时间：

49999995000000 for-in -- 时间 = 3.3352

4999999950000000 while -- 时间 = 0.3613

但是，如果使用“加速优化”，则结果如下：

49999995000000 for-in -- 时间 = 0.0037

49999995000000 while -- 时间 = 0.0035

我想知道，“为什么在无优化模式下for-in比while慢？而在优化模式下它们为什么会快呢？”

import Foundation

func processTime(_ title: String, blockFunction: () -> ()) {
    print()
    let startTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent()
    blockFunction()
    let processTime = CFAbsoluteTimeGetCurrent() - startTime
    print(title, " -- time = \(String(format : "%.4f",processTime))")
}

processTime("for-in") {
    var sum = 0
    for i in 0..<10000000 {
        sum += i
    }
    print(sum)
}

processTime("while") {
    var sum = 0
    var i = 0
    while i<10000000 {
        sum += i
        i += 1
    }
    print(sum)
}

- HyunSu

Answer 1

从 Swift 的角度来看，你的 for 循环实际上会被翻译成这样：

let range = 0..<10000000
var iterator = range.makeIterator()
while let next = iterator.next() {
    ...
}

请注意，这是对范围迭代器上的许多next调用，它有自己的状态需要跟踪，并且IndexingIterator.next调用一堆协议方法，分派需要一些时间，因为它必须查找见证表。在这里可以看到Iterator.next将要进行的确切调用。

如果您处于调试模式，则不会对其进行任何优化。

与您的while循环相比，它基本上是将某些内容设置为0，进行比较，执行循环中的操作，将其加1，然后重复执行。显然，这比调用所有这些方法要简单得多。

但是，如果启用了优化，编译器可以看到for循环正在执行while循环所做的事情。

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因为我觉得很有趣，所以我做了一个类似于以下的循环时间分析：

var s = ""
for i in 0...10000000 {
    s += "\(i)"
}

80%的时间都花费在next()上，看看它做了多少事情！我的屏幕截图甚至无法包含所有内容。字符串连接仅占约6％（不在截图中）。

- Sweeper

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我的天啊！我不知道那个很酷的时间分析器。我应该学一下。谢谢你。我真的很想看看它。这对我来说非常有用！非常感谢你！ - HyunSu

您可能会发现运行 swiftc -emit-sil -O <file.swift> 很有用。这将转储出 Swift 在 Swift 中间语言级别上的“真正”操作。Clang 通常会进一步优化这些内容，但学习阅读 SIL 输出是学习优化的重要技能。您可能还对探索非优化与优化后的 (0..<10000000).reduce(0, +) 的巨大差异感兴趣。 - Rob Napier

@RobNapier 哦，谢谢你！！其实我知道SIL，但是多亏了你，那些不知道这个概念的人可以理解“什么是SIL？为什么在编译时使用SIL很有用？”甚至你还给出了一些有趣的例子。非常感谢！我将不得不更多地学习SIL。 - HyunSu

@RobNapier 我在使用godbolt比较汇编代码。我看到优化版本摆脱了所有的“IndexingIterator”，但是其他方面我无法阅读汇编代码。我从未知道SIL是一种东西！谢谢你告诉我这个！ - Sweeper

@Sweeper 你好，我的教授，你能给我关于我的新问题的信息吗？https://stackoverflow.com/questions/67032783/why-is-indexingiterator-next-using-dynamic-dispatch - HyunSu