为什么使用内联初始化创建数组会很慢？

Question

为什么使用内联初始化创建数组会很慢？

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为什么行内数组初始化比迭代初始化慢那么多？我运行了这个程序来比较它们，单一初始化所需的时间比用for循环执行要长得多。

这是我在LinqPad中编写的测试程序。

var iterations = 100000000;
var length = 4;

{
    var timer = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();

    for(int i = 0; i < iterations; i++){
        var arr = new int[] { 1, 2, 3, 4 };
    }
    timer.Stop();
    "Array- Single Init".Dump();
    timer.Elapsed.Dump();
}

{
    var timer = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();

    for(int i = 0; i < iterations; i++){
        var arr = new int[length];
        for(int j = 0; j < length; j++){
            arr[j] = j;
        }
    }
    timer.Stop();
    "Array- Iterative".Dump();
    timer.Elapsed.Dump();
}

结果:

Array - Single Init
00:00:26.9590931

Array - Iterative
00:00:02.0345341

我还在不同的电脑上运行了VS2013社区版和最新的VS2015预览版，并得到了类似于LinqPad结果的结果。

我以发布模式运行了代码（即：启用编译器优化），与上面的结果非常不同。这两个代码块这次出来非常相似。这似乎表明这是一个编译器优化问题。

Array - Single Init
00:00:00.5511516

Array - Iterative
00:00:00.5882975

- DLeh

4

你的迭代列表正在添加10个项目，而其他的正在添加四个。 - Servy

4

你的测试可能无效，因为编译器可以优化掉无用代码，并且你没有对循环中创建的对象进行任何操作。 - gknicker

4

显然，如果你禁用优化，代码将会被糟糕地优化。这对于任何人都不应该是一个惊喜吧？如果你想关注操作的时间，你需要启用优化，否则结果就没有意义。 - Servy

1

有没有人注意到，内联版本创建了一个{1,2,3,4}的数组，而迭代版本创建了{0,1,2,3}的数组？ - displayName

2

@displayName 哈哈，是的，但这不会影响性能 :) - Tamir Vered

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2个回答

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静态数组初始化的实现方式有所不同。它将把位存储在一个内嵌的类中，该类将被命名为<PrivateImplementationDetails>...。

它所做的是将数组数据存储为位于某个特殊位置的程序集中，在从程序集加载时调用RuntimeHelpers.InitializeArray来初始化数组。

请注意，如果您使用反编译工具查看编译后的C#源代码，将无法注意到这里描述的任何内容。您需要查看反编译工具中的IL视图。

[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall), SecuritySafeCritical, __DynamicallyInvokable]
public static extern void InitializeArray(Array array, RuntimeFieldHandle fldHandle);

你可以看到这是在CLR中实现的（标记为InternalCall），然后映射到COMArrayInfo::InitializeArray（ecall.cpp在sscli中）。

FCIntrinsic("InitializeArray", COMArrayInfo::InitializeArray, CORINFO_INTRINSIC_InitializeArray)

COMArrayInfo::InitializeArray（位于comarrayinfo.cpp中）是一个神奇的方法，它使用嵌入在汇编代码中的位值来初始化数组。

我不确定为什么这需要很长时间才能完成；我没有好的解释。我猜测这是因为它要从物理程序集中提取数据？我不确定。你可以自己深入研究这些方法。但你可以了解一些情况：它并不会被编译成你在代码中看到的那样。

你可以使用像IlDasm和Dumpbin这样的工具来查找更多信息，当然还可以下载sscli。

顺便说一下：我从 "bart de smet" 的Pluralsight课程中获得了这些信息。

- Sriram Sakthivel

5

你所谈论的代码实际上并未被使用。抖动优化器会将其删除，因此根本不会剩下任何数组。这个问题的基本问题在于该基准测试并不代表真实的代码，并且没有启用优化器来执行它。 - Hans Passant

@HansPassant 是的，我注意到当优化开关打开时，它运行得非常快（显然被优化了）。当关闭优化时，也许这个魔法是导致性能损失的原因？ - Sriram Sakthivel

网页内容由stack overflow 提供, 点击上面的

可以查看英文原文，
原文链接

- Tamir Vered · Accepted Answer

首先，由于 C# 级别的分析只会显示执行时间最长的 C# 代码行，这当然是内联数组初始化，所以我们无法从中获得任何信息。但为了好玩，我们还是来分析一下：

现在，当我们看到预期的结果时，让我们观察一下IL级别的代码，并尝试看看两个数组初始化之间的区别：

首先，我们将查看标准数组初始化：

一切看起来都很好，循环正在按照我们预期的方式执行，没有明显的开销。

现在让我们来看看内联数组初始化：

前两行创建了一个大小为4的数组。
第三行将生成的数组指针复制到评估堆栈上。
最后一行将数组本地设置为刚刚创建的数组。

现在我们将关注剩下的两行：

第一行代码（L_001B）加载了一些编译时类型，其类型名称为__StaticArrayInitTypeSize=16，字段名为1456763F890A84558F99AFA687C36B9037697848，并且它在名为<PrivateImplementationDetails>的类中，该类位于Root Namespace中。如果我们查看这个字段，我们会发现它完全包含了所需的数组，就像我们想要的那样将其编码为字节：

.field assembly static initonly valuetype <PrivateImplementationDetails>/__StaticArrayInitTypeSize=16 1456763F890A84558F99AFA687C36B9037697848 = ((01 00 00 00 02 00 00 00 03 00 00 00 04 00 00 00))

第二行调用一个方法，该方法使用我们刚在L_0060中创建的空数组和这个编译时类型返回初始化的数组。

如果我们尝试查看此方法的代码，我们将看到它是在CLR内部实现的。

[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall), SecuritySafeCritical, __DynamicallyInvokable]
public static extern void InitializeArray(Array array, RuntimeFieldHandle fldHandle);

所以我们要么需要在已发布的CLR源代码中找到其源代码，但我无法为此方法找到，要么我们可以在程序集级别上进行调试。由于我的Visual-Studio出现问题并且在程序集视图中存在问题，让我们尝试另一种方式，并查看每个数组初始化的内存写入。

从循环初始化开始，在开头我们可以看到有一个空的int[]被初始化（在图片中，0x724a3c88是int[]类型，0x00000004是数组的大小，然后我们可以看到16个字节的零）。

当数组被初始化时，我们可以看到内存中填充了相同的类型和大小指示器，只是它还包含数字0到3：

当循环迭代时，我们可以看到下一个数组（用红色标记）在第一个数组之后分配，这也意味着每个数组消耗16 + type + size + padding = 19字节。

对于内联类型初始化器执行相同的过程后，我们可以看到在数组初始化之后，堆中还包含了其他类型，这可能是由于在System.Runtime.CompilerServices.InitializeArray方法内部进行的，因为数组指针和编译时类型标记被加载到评估堆栈上而不是堆中（在IL代码的L_001B和L_0020行）：

现在使用内联数组初始化程序分配下一个数组，我们可以看到下一个数组仅在第一个数组的开头后64个字节处分配！

因此，内联数组初始化器之所以更慢是由于以下几个原因：

分配了更多的内存（来自CLR内部的不需要的内存）。
除了数组构造函数之外，还有方法调用开销。
如果CLR分配了除数组之外的更多内存，则可能会执行一些其他不必要的操作。

现在来看内联数组初始化器在Debug和Release之间的区别：

如果您检查调试版本的汇编代码，它看起来像这样：

00952E46 B9 42 5D FF 71       mov         ecx,71FF5D42h  //The pointer to the array.
00952E4B BA 04 00 00 00       mov         edx,4  //The desired size of the array.
00952E50 E8 D7 03 F7 FF       call        008C322C  //Array constructor.
00952E55 89 45 90             mov         dword ptr [ebp-70h],eax  //The result array (here the memory is an empty array but arr cannot be viewed in the debug yet).
00952E58 B9 E4 0E D7 00       mov         ecx,0D70EE4h  //The token of the compilation-time-type.
00952E5D E8 43 EF FE 72       call        73941DA5  //First I thought that's the System.Runtime.CompilerServices.InitializeArray method but thats the part where the junk memory is added so i guess it's a part of the token loading process for the compilation-time-type.
00952E62 89 45 8C             mov         dword ptr [ebp-74h],eax
00952E65 8D 45 8C             lea         eax,[ebp-74h]  
00952E68 FF 30                push        dword ptr [eax]  
00952E6A 8B 4D 90             mov         ecx,dword ptr [ebp-70h]  
00952E6D E8 81 ED FE 72       call        73941BF3  //System.Runtime.CompilerServices.InitializeArray method.
00952E72 8B 45 90             mov         eax,dword ptr [ebp-70h]  //Here the result array is complete  
00952E75 89 45 B4             mov         dword ptr [ebp-4Ch],eax

另一方面，发布版本的代码如下：

003A2DEF B9 42 5D FF 71       mov         ecx,71FF5D42h  //The pointer to the array.
003A2DF4 BA 04 00 00 00       mov         edx,4  //The desired size of the array.
003A2DF9 E8 2E 04 F6 FF       call        0030322C  //Array constructor.
003A2DFE 83 C0 08             add         eax,8  
003A2E01 8B F8                mov         edi,eax  
003A2E03 BE 5C 29 8C 00       mov         esi,8C295Ch  
003A2E08 F3 0F 7E 06          movq        xmm0,mmword ptr [esi]  
003A2E0C 66 0F D6 07          movq        mmword ptr [edi],xmm0  
003A2E10 F3 0F 7E 46 08       movq        xmm0,mmword ptr [esi+8]  
003A2E15 66 0F D6 47 08       movq        mmword ptr [edi+8],xmm0

调试优化使得无法查看arr的内存，因为在IL级别上该局部变量从未被设置。正如您所看到的，此版本使用movq，这是复制编译时类型的内存到已初始化数组的最快方法，通过两次复制QWORD（2个int放在一起！）来精确地复制我们数组的内容，即16位。