循环作为for循环比while循环快得多，但是当语句更改时，while循环会更快。发生了什么？

Question

出于好奇，我测试了一下使用for循环和while循环进行同样操作是否有区别。为什么在我的电脑上（AMD Phenom II X6 1090T @ 3.20GHz）while循环比for循环慢了2-2.5秒呢？它们不是做同样的事情吗？你是否得到类似的结果？

此外，当我把循环中的x = null;语句替换成空语句时，while循环速度会明显加快。这是怎么回事呢？

当然，迭代次数非常高，但差异还是相当显著的，对吧？

static void Main(string[] args)
{
    String x;
    const Int64 FIVE_BN = 5000000000;
    Int64 i = 0;

    DateTime start = DateTime.Now;
    for (; FIVE_BN > i; i++)
        x = null; //Replace with only ; in both loops and the for loop is faster
    Console.Out.WriteLine(FIVE_BN.ToString() + " times (for): " + (DateTime.Now - start));

    i = 0;

    start = DateTime.Now;
    while(FIVE_BN > i++)
        x = null; //Replace with only ; in both loops and the for loop is faster
    Console.Out.WriteLine(FIVE_BN.ToString() + " times (while): " + (DateTime.Now - start));

    Console.Read();
    return;
}

- David S.

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不要在基准测试中使用DateTime - 应使用专为此类用途设计的Stopwatch类。 - Oded

也许你的编译器进行了一些优化。 - Basile Starynkevitch

只是一些指针，尝试使用Stopwatch进行性能计时，并进行多次运行以过滤掉冷启动被JIT编译的开销（基本上忽略第一次运行）。 - Adam Houldsworth

感谢提供计时器提示。使用计时器后，无论何种情况下for循环速度都更快。但是即使如此，空语句的差异仍然超过1秒。 - David S.

Answer 1

虽然这只是一种微小的优化，不会成为性能瓶颈。但有趣的是，实际上这两者是不同的，有趣的是，当你提取方法时，使用VS2010运行两个循环时，我得到以下结果：

private static String forLoop(ref Int64 i)
{
    String x;

    for (; FIVE_BN > i; i++)
        x = null; //Replace with only ; in both loops and the for loop is faster
    return x;
}

private static void whileloop(ref String x, ref Int64 i)
{
    while (FIVE_BN > i++)
        x = null; //Replace with only ; in both loops and the for loop is faster
}

这十分有趣……它表明这两个函数确实是不同的。

现在，当我们用 ; 替换循环中的逻辑时，我们得到了以下抽取方法：

private static Int64 forLoopShort(Int64 i)
{

    for (; FIVE_BN > i; i++)
        ; //Replace with only ; in both loops and the for loop is faster
    return i;
}

private static Int64 whileLoopShort(Int64 i)
{

    while (FIVE_BN > i++)
        ; //Replace with only ; in both loops and the for loop is faster
    return i;
}

这就解释了为什么使用这种配置时循环基本上运行相同。

要想知道它们在内联时（而不是提取到方法中时）有什么不同，我们需要查看优化后的CLR代码长什么样子（尽管优化器实际上可能会消除两个函数之间的任何显著差异）。这是留给以后编辑的事情。

编辑：

CIL显示了区别：

For循环具有.maxstack 2，而while循环具有.maxstack 4，否则由于while的递增发生在循环开始时，而for操作发生在循环结束时，因此操作顺序有一点点不同（将循环内容更改为Console.WriteLine(i)，可以看到While循环将从1打印，但For循环将从0打印（尽管两个循环都执行相同数量的循环迭代）。

当循环内容只是;时，两个循环在CIL中都短了2行，以下行被删除（对于两个循环都是如此）:

IL_0006:  ldnull
IL_0007:  stloc.0

然而当我们使用发布版本进行构建时，代码会非常不同：

x = null;和;在任何一个循环中的区别都是无关紧要的，因为优化器已经注意到该值永远不会变成非null。

优化后的for循环和while循环之间的区别如下：

CIL for 循环：

IL_0000:  ldc.i4.0
IL_0001:  conv.i8
IL_0002:  stloc.0
IL_0003:  br.s       IL_000a
IL_0005:  ldloc.0
IL_0006:  ldc.i4.1
IL_0007:  conv.i8
IL_0008:  add
IL_0009:  stloc.0
IL_000a:  ldc.i8     0x12a05f200
IL_0013:  ldloc.0
IL_0014:  bgt.s      IL_0005
IL_0016:  ret

关于CIL中的while循环：

IL_0000:  ldc.i4.0
IL_0001:  conv.i8
IL_0002:  stloc.0
IL_0003:  ldc.i8     0x12a05f200
IL_000c:  ldloc.0
IL_000d:  dup
IL_000e:  ldc.i4.1
IL_000f:  conv.i8
IL_0010:  add
IL_0011:  stloc.0
IL_0012:  bgt.s      IL_0003
IL_0014:  ret

我们可以看到，优化后的while循环比for循环快2个操作，但是它使用更多的堆栈空间。

这两者之间的区别似乎完全与i++出现的位置有关。

确实，通过创建一个新的方法来确认这一点：

private static void forLoopVeryShort()
{
    string x;
    Int64 i = 0;

    for (; FIVE_BN > i++;)
        ; //Replace with only ; in both loops and the for loop is faster
}

无论是在发布版还是调试版中编译生成的这个for方法的CIL代码与while循环的代码完全相同。

这就是它们之间的区别。当它们执行完全相同的行为时，for循环和while循环的表现也完全相同。你提到的差异完全是由于在调试模式下运行代码，而JIT并不总是像发布版代码优化器一样高效。

我喜欢这个问题，我从中学到了东西，希望其他人也能受益。+1

- Seph

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哇！很有努力的样子。非常有趣。期待任何修改 :) - David S.

就是这样，这就是为什么这两个循环执行起来会有所不同。 - Seph

非常好...就像其他答案中所提到的，这只是一个微小的优化，我们可能不需要费心去寻找，但感谢您实际上回答了问题:)我喜欢深入了解事情，它突然间看起来并不神秘。 - David S.

Answer 2

您可能会想要使用cordbg（并仔细启用所有JIT优化）来查看生成的本机代码，以确定为什么会发生这种情况...但为什么要麻烦呢？在实际代码中，差异不会很大，因为您将在循环中执行实际工作。

在我看来，微调完全不现实的代码是没有意义的练习。即使对实际代码进行微调，除非您已经验证了这是瓶颈，否则通常也不会有成效。

- Jon Skeet

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如果由于循环内的代码而导致差异波动，那么这种差异在实际情况中甚至可能不存在，更不用说成为性能问题了。 - Adam Houldsworth

你说的可能是对的。如果在真正工作时差异仍然显著，我会开始担心这个问题。 - David S.

当我实际查看生成的CIL指令时，很容易明白为什么这两个循环实际上执行不同。 - Seph

Answer 3

提示 - 无法再现：

使用以下指令：

5000000000 times (for): 00:00:15.0488608
5000000000 times (while): 00:00:12.7107270

只需使用一个 ;。

5000000000 times (for): 00:00:15.0558611
5000000000 times (while): 00:00:12.7297281

我正在发布模式下运行，不在调试器中等。

这可能与框架有关（我使用的是4.0.30319.488，x64），也可能与CPU有关（我使用的是Intel i7 4x2.67GHz（加上HT）），但我第一个猜测是测试的运行方式。

- Marc Gravell

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你说得对，我检查了一下，似乎根据我运行测试的方式，甚至是哪种循环先运行的顺序，结果都大相径庭。这种差异似乎是由其他因素引起的，而不是理论代码本身。 - David S.

确保代码已经通过JIT编译器运行一次，并与在发布模式下运行并进行优化相结合，可以显著提高执行时间。+1 - Seph