C#编译器优化

Question

为什么编译器要优化我的代码？ 我有两个函数：

public void x1() {
  x++;
  x++;
}
public void x2() {
  x += 2;
}
public void x3() {
  x = x + 2;
}
public void y3() {
  x = x * x + x * x;
}

在发布模式下编译后，我可以使用ILSpy看到以下内容：

// test1.Something
public void x1()
{
    this.x++;
    this.x++;
}

// test1.Something
public void x2()
{
    this.x += 2;
}
// test1.Something
public void x3()
{ 
    this.x += 2;
}
// test1.Something
public void y3()
{
    this.x = this.x * this.x + this.x * this.x;
}

x2和x3可能可以，但为什么x1的优化结果不同呢？没有理由保持它是一个两步增量的形式。 而且为什么y3不是x=2*(x*x)？这难道不会比x*x+x*x更快吗？

这就引出一个问题：如果C#编译器不能处理这样简单的代码优化，那它到底能做些什么优化呢？

当我阅读关于编写代码的文章时，经常听到“代码要易读，编译器会完成其余工作”。但在这种情况下，编译器几乎什么也没做。

再来看一个例子：

public void x1() {
  int a = 1;
  int b = 1;
  int c = 1;
  x = a + b + c;
}

并使用ILSpy：

// test1.Something
public void x1()
{
    int a = 1;
    int b = 1;
    int c = 1;
    this.x = a + b + c;
}

为什么不是 this.x = 3？

- bebo

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什么让你相信 x=2*(x*x) 比 x = x * x + x * x 更优化？可读性或术语的简化并不意味着公式操作更加优化，有时展开它反而更加优化。 - Ron Beyer

1. 大多数优化是由JIT编译器在运行时执行的，而不是由C#编译器执行的。
2. 对于x1您建议的优化在多线程面前并非功能等价（例如，如果该字段是volatile的，则编译器绝对禁止执行建议的优化）。

这是一篇确实有点老的文章，介绍了C#编译器执行的优化：http://blogs.msdn.com/b/ericlippert/archive/2009/06/11/what-does-the-optimize-switch-do.aspx - Ani

少量的代码并不意味着更好的性能。 - Matias Cicero

另外，x++是一个特殊情况，因为它涉及缓存要返回的值，然后对其进行递增。 - Ron Beyer

两个乘法不比两个乘法和一个加法更快吗？ - bebo

C#编译器也不是计算机代数系统，因此它无法执行任意代数操作以最小化操作数量。我总是对许多人似乎没有意识到这一点感到惊讶。 - Kyle

Answer 1

编译器在不做出变量“x”与您的运行方法并发访问的假设的情况下无法执行此优化。否则，它会冒着以可检测的方式更改您的方法行为的风险。

考虑这样一种情况：当从两个线程同时访问“this”所引用的对象时。线程“A”重复将“x”设置为零；线程“B”重复调用“x1（）”。

如果编译器将“x1”优化为等价于“x2”，则您的实验后x的两个可观察状态将分别为0和2：

如果“A”在“B”之前完成，则得到2 如果“B”在“A”之前完成，则得到0 如果“A”在中间抢占了“B”，则仍然会得到2。

但是，“x1”的原始版本允许三种结果：x最终可能是0、1或2：

如果“A”在“B”之前完成，则得到2 如果“B”在“A”之前完成，则得到0 如果“B”在第一次递增后被抢占，然后“A”完成，然后“B”运行到完成，则得到1。

- Sergey Kalinichenko

Answer 2

x1和x2是不同的:

如果x是一个公共字段并在多线程环境下被访问，那么第二个调用之间可能会有另一个线程改变x，而这不能再x2的代码中实现。

对于y2，如果x的类型重载了+和/或*，那么x*x + x*x可能与2*x*x不同。

编译器将优化以下内容（并非详尽列表）：

• 删除未使用的局部变量(释放寄存器)
• 删除不影响逻辑流或输出的代码。
• 内联简单方法的调用

编译器优化不应该改变程序的行为(尽管它确实发生)。所以重新排序/组合数学操作超出了优化范围。

写得易读，编译器会做剩下的工作。

好吧，编译器可能会做一些优化，但是在设计时间还有很多可以做来提高性能。是的，易读的代码绝对有价值，但编译器的任务是生成与源代码对应的工作IL，而不是更改源代码以使其运行更快。

- D Stanley

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我添加了一个与多线程无关的新示例。顺便说一下，如果编译器可以重新排列指令以优化性能，并且您需要采取特殊操作（如MemoryFences）来防止这种情况，那么为什么组合x ++和x ++不同呢？没有锁定或MemoryBarriear，我希望编译器不会关心多线程。 - bebo

我认为你对编译器的期望过高了。它的工作是将你的源代码转换成可运行的IL，而不是找到你的代码可能更快的每个潜在位置并重新编码。如果你觉得这是下一个C#编译器的有价值的特性，那就在http://connect.microsoft.com上发布它，看看会发生什么。 - D Stanley

但编译器的工作是生成与您的源代码相对应的可工作IL，而不是更改您的源代码以获得更快的速度。我认为优化器的目的是为了提高性能。 - bebo

为什么止步于此？ 为什么不将您的“列表”更改为“数组”？ 为什么不将您的一系列“if”语句更改为“switch”？ 或者如果条件永远不可能为真，则完全删除一个“if”块？ 这是很多逻辑要构建到编译器中，而许多人会抱怨它已经不够快了。 - D Stanley

我们问题的基本答案是：任何功能都必须经过设计、编码、测试、文档编写和支持，这一切都需要时间和金钱，而许多其他功能也在竞争中。如果这样一个功能的收益无法超过成本（或者其他功能提供更大的收益），那么它就不会被开发出来。我猜测这样一个优化功能的收益是微不足道的。 - D Stanley

@bebo编译器生成IL代码，但并不尝试进行优化。这是JIT的工作，通过对平台进行相关优化。有可能一些体系结构能够更快地执行“x ++; x ++;”，而其他体系结构能够更快地执行“x + = 2;”。话虽如此，我怀疑JIT会执行此特定的优化。因为在真实代码中这并不常见。顺便说一下，编译器不会内联调用，但JIT肯定会做到。 - Lucas Trzesniewski