Тернарный оператор в два раза медленнее, чем блок if-else?
Я читаю везде, что тернарный оператор должен быть быстрее, чем, или, по крайней мере, тот же, что и его эквивалентный блок if - else.
Однако, я сделал следующий тест и выяснил, что это не так:
Random r = new Random();
int[] array = new int[20000000];
for(int i = 0; i < array.Length; i++)
{
array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
}
Array.Sort(array);
long value = 0;
DateTime begin = DateTime.UtcNow;
foreach (int i in array)
{
if (i > 0)
{
value += 2;
}
else
{
value += 3;
}
// if-else block above takes on average 85 ms
// OR I can use a ternary operator:
// value += i > 0 ? 2 : 3; // takes 157 ms
}
DateTime end = DateTime.UtcNow;
MessageBox.Show("Measured time: " + (end-begin).TotalMilliseconds + " ms.\r\nResult = " + value.ToString());
Мой компьютер занял 85 мс, чтобы запустить код выше. Но если я прокомментирую фрагмент if - else и раскомментирую тройную операторную строку, это займет около 157 мс.
Почему это происходит?
Ответы
Ответ 1
Чтобы ответить на этот вопрос, мы рассмотрим код сборки, созданный JIT X86 и X64 для каждого из этих случаев.
X86, если /then
32: foreach (int i in array)
0000007c 33 D2 xor edx,edx
0000007e 83 7E 04 00 cmp dword ptr [esi+4],0
00000082 7E 1C jle 000000A0
00000084 8B 44 96 08 mov eax,dword ptr [esi+edx*4+8]
33: {
34: if (i > 0)
00000088 85 C0 test eax,eax
0000008a 7E 08 jle 00000094
35: {
36: value += 2;
0000008c 83 C3 02 add ebx,2
0000008f 83 D7 00 adc edi,0
00000092 EB 06 jmp 0000009A
37: }
38: else
39: {
40: value += 3;
00000094 83 C3 03 add ebx,3
00000097 83 D7 00 adc edi,0
0000009a 42 inc edx
32: foreach (int i in array)
0000009b 39 56 04 cmp dword ptr [esi+4],edx
0000009e 7F E4 jg 00000084
30: for (int x = 0; x < iterations; x++)
000000a0 41 inc ecx
000000a1 3B 4D F0 cmp ecx,dword ptr [ebp-10h]
000000a4 7C D6 jl 0000007C
X86, тернарный
59: foreach (int i in array)
00000075 33 F6 xor esi,esi
00000077 83 7F 04 00 cmp dword ptr [edi+4],0
0000007b 7E 2D jle 000000AA
0000007d 8B 44 B7 08 mov eax,dword ptr [edi+esi*4+8]
60: {
61: value += i > 0 ? 2 : 3;
00000081 85 C0 test eax,eax
00000083 7F 07 jg 0000008C
00000085 BA 03 00 00 00 mov edx,3
0000008a EB 05 jmp 00000091
0000008c BA 02 00 00 00 mov edx,2
00000091 8B C3 mov eax,ebx
00000093 8B 4D EC mov ecx,dword ptr [ebp-14h]
00000096 8B DA mov ebx,edx
00000098 C1 FB 1F sar ebx,1Fh
0000009b 03 C2 add eax,edx
0000009d 13 CB adc ecx,ebx
0000009f 89 4D EC mov dword ptr [ebp-14h],ecx
000000a2 8B D8 mov ebx,eax
000000a4 46 inc esi
59: foreach (int i in array)
000000a5 39 77 04 cmp dword ptr [edi+4],esi
000000a8 7F D3 jg 0000007D
57: for (int x = 0; x < iterations; x++)
000000aa FF 45 E4 inc dword ptr [ebp-1Ch]
000000ad 8B 45 E4 mov eax,dword ptr [ebp-1Ch]
000000b0 3B 45 F0 cmp eax,dword ptr [ebp-10h]
000000b3 7C C0 jl 00000075
X64, если /then
32: foreach (int i in array)
00000059 4C 8B 4F 08 mov r9,qword ptr [rdi+8]
0000005d 0F 1F 00 nop dword ptr [rax]
00000060 45 85 C9 test r9d,r9d
00000063 7E 2B jle 0000000000000090
00000065 33 D2 xor edx,edx
00000067 45 33 C0 xor r8d,r8d
0000006a 4C 8B 57 08 mov r10,qword ptr [rdi+8]
0000006e 66 90 xchg ax,ax
00000070 42 8B 44 07 10 mov eax,dword ptr [rdi+r8+10h]
33: {
34: if (i > 0)
00000075 85 C0 test eax,eax
00000077 7E 07 jle 0000000000000080
35: {
36: value += 2;
00000079 48 83 C5 02 add rbp,2
0000007d EB 05 jmp 0000000000000084
0000007f 90 nop
37: }
38: else
39: {
40: value += 3;
00000080 48 83 C5 03 add rbp,3
00000084 FF C2 inc edx
00000086 49 83 C0 04 add r8,4
32: foreach (int i in array)
0000008a 41 3B D2 cmp edx,r10d
0000008d 7C E1 jl 0000000000000070
0000008f 90 nop
30: for (int x = 0; x < iterations; x++)
00000090 FF C1 inc ecx
00000092 41 3B CC cmp ecx,r12d
00000095 7C C9 jl 0000000000000060
X64, тройной
59: foreach (int i in array)
00000044 4C 8B 4F 08 mov r9,qword ptr [rdi+8]
00000048 45 85 C9 test r9d,r9d
0000004b 7E 2F jle 000000000000007C
0000004d 45 33 C0 xor r8d,r8d
00000050 33 D2 xor edx,edx
00000052 4C 8B 57 08 mov r10,qword ptr [rdi+8]
00000056 8B 44 17 10 mov eax,dword ptr [rdi+rdx+10h]
60: {
61: value += i > 0 ? 2 : 3;
0000005a 85 C0 test eax,eax
0000005c 7F 07 jg 0000000000000065
0000005e B8 03 00 00 00 mov eax,3
00000063 EB 05 jmp 000000000000006A
00000065 B8 02 00 00 00 mov eax,2
0000006a 48 63 C0 movsxd rax,eax
0000006d 4C 03 E0 add r12,rax
00000070 41 FF C0 inc r8d
00000073 48 83 C2 04 add rdx,4
59: foreach (int i in array)
00000077 45 3B C2 cmp r8d,r10d
0000007a 7C DA jl 0000000000000056
57: for (int x = 0; x < iterations; x++)
0000007c FF C1 inc ecx
0000007e 3B CD cmp ecx,ebp
00000080 7C C6 jl 0000000000000048
Во-первых: почему код X86 намного медленнее X64?
Это связано со следующими характеристиками кода:
- В X64 имеется несколько дополнительных регистров, и каждый регистр имеет 64-разрядные значения. Это позволяет X64 JIT полностью выполнять внутренний цикл, используя регистры, кроме загрузки
i из массива, тогда как X86 JIT помещает в цикл несколько операций стека (доступ к памяти).
-
value - это 64-разрядное целое число, которое требует 2 машинных инструкций для X86 (add, за которыми следует adc), но только 1 на X64 (add).
Во-вторых: почему тернарный оператор медленнее работает на X86 и X64?
Это связано с незначительной разницей в порядке операций, воздействующих на оптимизатор JIT. Для JIT для тернарного оператора вместо прямого кодирования 2 и 3 в самих машинных инструкциях add JIT создает промежуточную переменную (в регистре) для хранения результата. Затем этот регистр расширяется до 32 бит до 64 бит, прежде чем добавлять его в value. Поскольку все это выполняется в регистрах для X64, несмотря на значительное увеличение сложности для тернарного оператора, чистое воздействие несколько сведено к минимуму.
С другой стороны, X86 JIT влияет в большей степени, поскольку добавление нового промежуточного значения во внутренний цикл заставляет его "разливать" другое значение, приводящее к по меньшей мере двум дополнительным доступам к памяти во внутреннем цикле ( см. обращения к [ebp-14h] в тройном коде X86).
Ответ 2
EDIT: все изменения... см. ниже.
Я не могу воспроизвести ваши результаты на x64 CLR, но могу на x86. На x64 я вижу небольшую разницу (менее 10%) между условным оператором и if/else, но он намного меньше, чем вы видите.
Я внес следующие изменения:
- Запуск в консольном приложении
- Создайте с
/o+ /debug- и за пределами отладчика
- Запустите оба фрагмента кода один раз, чтобы JIT их, затем много раз для большей точности
- Используйте
Stopwatch
Результаты с /platform:x64 (без строк "игнорировать" ):
if/else with 1 iterations: 17ms
conditional with 1 iterations: 19ms
if/else with 1000 iterations: 17875ms
conditional with 1000 iterations: 19089ms
Результаты с /platform:x86 (без строк "игнорировать" ):
if/else with 1 iterations: 18ms
conditional with 1 iterations: 49ms
if/else with 1000 iterations: 17901ms
conditional with 1000 iterations: 47710ms
Детали моей системы:
- x64 i7-2720QM CPU @2.20GHz
- 64-разрядная версия Windows 8
- .NET 4.5
В отличие от предыдущих, я думаю, что вы видите реальную разницу - и все это связано с x86 JIT. Я не хотел бы точно сказать, что вызывает разницу - я могу обновить сообщение позже с более подробной информацией, если я могу потрудиться, чтобы пойти в cordbg:)
Интересно, что, сначала не сортируя массив, я заканчиваю тестами, которые занимают примерно 4.5x, по крайней мере, на x64. Я предполагаю, что это связано с предсказанием ветвей.
код:
using System;
using System.Diagnostics;
class Test
{
static void Main()
{
Random r = new Random(0);
int[] array = new int[20000000];
for(int i = 0; i < array.Length; i++)
{
array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
}
Array.Sort(array);
// JIT everything...
RunIfElse(array, 1);
RunConditional(array, 1);
// Now really time it
RunIfElse(array, 1000);
RunConditional(array, 1000);
}
static void RunIfElse(int[] array, int iterations)
{
long value = 0;
Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
for (int x = 0; x < iterations; x++)
{
foreach (int i in array)
{
if (i > 0)
{
value += 2;
}
else
{
value += 3;
}
}
}
sw.Stop();
Console.WriteLine("if/else with {0} iterations: {1}ms",
iterations,
sw.ElapsedMilliseconds);
// Just to avoid optimizing everything away
Console.WriteLine("Value (ignore): {0}", value);
}
static void RunConditional(int[] array, int iterations)
{
long value = 0;
Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
for (int x = 0; x < iterations; x++)
{
foreach (int i in array)
{
value += i > 0 ? 2 : 3;
}
}
sw.Stop();
Console.WriteLine("conditional with {0} iterations: {1}ms",
iterations,
sw.ElapsedMilliseconds);
// Just to avoid optimizing everything away
Console.WriteLine("Value (ignore): {0}", value);
}
}
Ответ 3
Разница действительно не имеет большого отношения к if/else vs trernary.
Глядя на дразнящиеся разборки (я не буду отплачивать здесь, см. ответ @280Z28), оказывается, что вы сравниваете яблоки и апельсины. В одном случае вы создаете две различные операции += с постоянными значениями, а какая вы выбираете, зависит от условия, а в другом случае вы создаете +=, где значение для добавления зависит от условия.
Если вы хотите по-настоящему сравнить if/else vs trernary, это будет более справедливое сравнение (теперь оба будут одинаково "медленными", или мы даже можем сказать, что тройной бит быстрее):
int diff;
if (i > 0)
diff = 2;
else
diff = 3;
value += diff;
против.
value += i > 0 ? 2 : 3;
Теперь разборка для if/else становится такой, как показано ниже. Обратите внимание, что это немного хуже, чем троичный случай, так как он прекратил использование регистров для переменной цикла (i).
if (i > 0)
0000009d cmp dword ptr [ebp-20h],0
000000a1 jle 000000AD
{
diff = 2;
000000a3 mov dword ptr [ebp-24h],2
000000aa nop
000000ab jmp 000000B4
}
else
{
diff = 3;
000000ad mov dword ptr [ebp-24h],3
}
value += diff;
000000b4 mov eax,dword ptr [ebp-18h]
000000b7 mov edx,dword ptr [ebp-14h]
000000ba mov ecx,dword ptr [ebp-24h]
000000bd mov ebx,ecx
000000bf sar ebx,1Fh
000000c2 add eax,ecx
000000c4 adc edx,ebx
000000c6 mov dword ptr [ebp-18h],eax
000000c9 mov dword ptr [ebp-14h],edx
000000cc inc dword ptr [ebp-28h]
Ответ 4
Изменить:
Добавлен пример, который можно выполнить с помощью оператора if-else, но не условного оператора.
Перед ответом, пожалуйста, посмотрите [который быстрее?] в блоге г-на Липперта. И я думаю г-н. Ответ Ersönmez является наиболее правильным здесь.
Я пытаюсь упомянуть то, что мы должны иметь в виду с языком программирования высокого уровня.
Во-первых, я никогда не слышал, что условный оператор должен быть быстрее или равно производительности с оператором if-else в C♯.
Причина проста в том, что если нет операции с оператором if-else:
if (i > 0)
{
value += 2;
}
else
{
}
Требование условного оператора должно быть значение с любой стороны, а в C♯ также требуется, чтобы обе стороны : имели один и тот же тип. Это просто отличает его от оператора if-else. Таким образом, ваш вопрос становится вопросом о том, как генерируется инструкция машинного кода, так что разница в производительности.
С условным оператором семантически это:
Независимо от того, какое выражение оценивается, есть значение.
Но с инструкцией if-else:
Если выражение оценивается как true, сделайте что-нибудь; если нет, выполните другую вещь.
Значение не обязательно связано с оператором if-else. Ваше предположение возможно только при оптимизации.
Еще один пример, демонстрирующий разницу между ними, будет выглядеть следующим образом:
var array1=new[] { 1, 2, 3 };
var array2=new[] { 5, 6, 7 };
if(i>0)
array1[0]=4;
else
array2[0]=4;
приведенный выше код компиляции, однако, заменить оператор if-else условным оператором просто не компилируется:
var array1=new[] { 1, 2, 3 };
var array2=new[] { 5, 6, 7 };
(i>0?array1[0]:array2[0])=4; // incorrect usage
Условный оператор и операторы if-else концептуальны одинаково, если вы делаете то же самое, возможно, даже быстрее с условным оператором в C, так как C ближе к сборке Платформа.
Для исходного кода, который вы предоставили, условный оператор используется в цикле foreach, что может испортить ситуацию, чтобы увидеть разницу между ними. Поэтому я предлагаю следующий код:
public static class TestClass {
public static void TestConditionalOperator(int i) {
long value=0;
value+=i>0?2:3;
}
public static void TestIfElse(int i) {
long value=0;
if(i>0) {
value+=2;
}
else {
value+=3;
}
}
public static void TestMethod() {
TestConditionalOperator(0);
TestIfElse(0);
}
}
и следующие две версии IL оптимизированы, а не. Поскольку они длинны, я использую изображение для показа, правая сторона оптимизирована:
(Нажмите, чтобы увидеть полноразмерное изображение.) ![hSN6s.png]()
В обеих версиях кода IL условного оператора выглядит короче, чем оператор if-else, и все еще существует сомнение в том, что машинный код окончательно сгенерирован. Ниже приведены инструкции обоих методов, и прежнее изображение не оптимизировано, последнее является оптимизированным:
-
Неоптимизированные инструкции: (нажмите, чтобы увидеть полноразмерное изображение.)
![ybhgM.png]()
-
Оптимизированные инструкции: (нажмите, чтобы увидеть полноразмерное изображение.)
![6kgzJ.png]()
В последнем случае желтый блок является кодом, выполняемым только в том случае, если i<=0, а синий - когда i>0. В любой версии инструкций оператор if-else короче.
Обратите внимание, что для разных инструкций [CPI] не обязательно совпадает. Логически, для идентичной инструкции больше инструкций стоит более продолжительный цикл. Но если принять во внимание время выборки команды и канал/кеш, то реальное общее время выполнения зависит от процессора. Процессор также может прогнозировать ветки.
Современные процессоры имеют еще больше ядер, с этим может быть сложнее. Если вы являетесь пользователем процессора Intel, вам может потребоваться посмотреть [Справочное руководство по оптимизации архитектуры Intel® 64 и IA-32].
Я не знаю, была ли реализована аппаратная реализация CLR, но если да, вы, вероятно, быстрее работаете с условным оператором, потому что IL явно меньше.
Примечание. Все машинные коды имеют x86.Суб >
Ответ 5
Я сделал то, что сделал Джон Скит, и провел 1 итерацию и 1000 итераций и получил другой результат от OP и Jon. В моем, тройной немного быстрее. Ниже приведен точный код:
static void runIfElse(int[] array, int iterations)
{
long value = 0;
Stopwatch ifElse = new Stopwatch();
ifElse.Start();
for (int c = 0; c < iterations; c++)
{
foreach (int i in array)
{
if (i > 0)
{
value += 2;
}
else
{
value += 3;
}
}
}
ifElse.Stop();
Console.WriteLine(String.Format("Elapsed time for If-Else: {0}", ifElse.Elapsed));
}
static void runTernary(int[] array, int iterations)
{
long value = 0;
Stopwatch ternary = new Stopwatch();
ternary.Start();
for (int c = 0; c < iterations; c++)
{
foreach (int i in array)
{
value += i > 0 ? 2 : 3;
}
}
ternary.Stop();
Console.WriteLine(String.Format("Elapsed time for Ternary: {0}", ternary.Elapsed));
}
static void Main(string[] args)
{
Random r = new Random();
int[] array = new int[20000000];
for (int i = 0; i < array.Length; i++)
{
array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
}
Array.Sort(array);
long value = 0;
runIfElse(array, 1);
runTernary(array, 1);
runIfElse(array, 1000);
runTernary(array, 1000);
Console.ReadLine();
}
Результат моей программы:
Истекшее время для If-Else: 00: 00: 00.0140543
Истекшее время для Тернара: 00: 00: 00.0136723
Истекшее время для If-Else: 00: 00: 14.0167870
Истекшее время для Тернара: 00: 00: 13.9418520
Другой запуск в миллисекундах:
Истекшее время для If-Else: 20
Истекшее время для Тернара: 19
Истекшее время для If-Else: 13854
Истекшее время для Тернара: 13610
Это работает в 64-разрядной версии XP, и я бежал без отладки.
Изменить - Запуск в x86:
Там большая разница с использованием x86. Это было сделано без отладки и на той же 64-разрядной машине xp, что и раньше, но построено для процессоров x86. Это больше похоже на OP.
Истекшее время для If-Else: 18
Истекшее время для Тернара: 35
Истекшее время для If-Else: 20512
Истекшее время для Тернара: 32673
Ответ 6
Созданный код ассемблера расскажет историю:
a = (b > c) ? 1 : 0;
Формирует:
mov edx, DWORD PTR a[rip]
mov eax, DWORD PTR b[rip]
cmp edx, eax
setg al
В то время как:
if (a > b) printf("a");
else printf("b");
Формирует:
mov edx, DWORD PTR a[rip]
mov eax, DWORD PTR b[rip]
cmp edx, eax
jle .L4
;printf a
jmp .L5
.L4:
;printf b
.L5:
Таким образом, тройка может быть короче и быстрее просто из-за использования меньшего количества инструкций и никаких переходов, если вы ищете true/false. Если вы используете значения, отличные от 1 и 0, вы получите тот же код, что и if/else, например:
a = (b > c) ? 2 : 3;
Формирует:
mov edx, DWORD PTR b[rip]
mov eax, DWORD PTR c[rip]
cmp edx, eax
jle .L6
mov eax, 2
jmp .L7
.L6:
mov eax, 3
.L7:
Это то же самое, что и if/else.
Ответ 7
Запуск без отладки ctrl + F5 кажется, что отладчик значительно замедляет и то и другое, но, похоже, он больше замедляет работу троичного оператора.
Когда я запускаю следующий код, вот мои результаты. Я думаю, что небольшое различие в миллисекундах вызвано компилятором, оптимизирующим max = max и удаляющим его, но, вероятно, не делает эту оптимизацию для тернарного оператора. Если кто-то может проверить сборку и подтвердить это, это будет потрясающе.
--Run #1--
Type | Milliseconds
Ternary 706
If 704
%: .9972
--Run #2--
Type | Milliseconds
Ternary 707
If 704
%: .9958
--Run #3--
Type | Milliseconds
Ternary 706
If 704
%: .9972
код
for (int t = 1; t != 10; t++)
{
var s = new System.Diagnostics.Stopwatch();
var r = new Random(123456789); //r
int[] randomSet = new int[1000]; //a
for (int i = 0; i < 1000; i++) //n
randomSet[i] = r.Next(); //dom
long _ternary = 0; //store
long _if = 0; //time
int max = 0; //result
s.Start();
for (int q = 0; q < 1000000; q++)
{
for (int i = 0; i < 1000; i++)
max = max > randomSet[i] ? max : randomSet[i];
}
s.Stop();
_ternary = s.ElapsedMilliseconds;
max = 0;
s = new System.Diagnostics.Stopwatch();
s.Start();
for (int q = 0; q < 1000000; q++)
{
for (int i = 0; i < 1000; i++)
if (max > randomSet[i])
max = max; // I think the compiler may remove this but not for the ternary causing the speed difference.
else
max = randomSet[i];
}
s.Stop();
_if = s.ElapsedMilliseconds;
Console.WriteLine("--Run #" + t+"--");
Console.WriteLine("Type | Milliseconds\nTernary {0}\nIf {1}\n%: {2}", _ternary, _if,((decimal)_if/(decimal)_ternary).ToString("#.####"));
}
Ответ 8
Глядя на сгенерированный IL, в нем меньше 16 операций, чем в инструкции if/else (копирование и вставка кода @JonSkeet). Однако это не значит, что это должен быть более быстрый процесс!
Чтобы обобщить различия в IL, метод if/else переводится почти так же, как и код С#, который читает (выполнение добавления в ветке), тогда как условный код загружает 2 или 3 в стек (в зависимости от значение), а затем добавляет его к значению вне условного выражения.
Другим отличием является используемая инструкция ветвления. Метод if/else использует brtrue (ветвь if true) для перехода по первому условию и безусловную ветвь для перехода из первого из оператора if. Условный код использует bgt (ветвь, если больше, чем) вместо brtrue, что может быть медленнее.
Также (только что прочитав о предсказании ветвления) может быть штраф за выполнение для меньшей ветки. У условной ветки есть только одна команда внутри ветки, но if/else имеет 7. Это также объясняет, почему существует разница между использованием long и int, поскольку изменение в int уменьшает количество инструкций в ветвях if/else на 1 (делая чтение вперед меньше)
Ответ 9
В следующем коде, если /else, похоже, примерно в 1,4 раза быстрее, чем троичный оператор. Тем не менее, я обнаружил, что введение временной переменной уменьшает время работы троичного оператора примерно в 1,4 раза:
Если/Else: 98 мс
Тернар: 141 мс
Тернар с temp var: 100 мс
using System;
using System.Diagnostics;
namespace ConsoleApplicationTestIfElseVsTernaryOperator
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
Random r = new Random(0);
int[] array = new int[20000000];
for (int i = 0; i < array.Length; i++)
{
array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
}
Array.Sort(array);
long value;
Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();
value = 0;
stopwatch.Restart();
foreach (int i in array)
{
if (i > 0)
{
value += 2;
}
else
{
value += 3;
}
// 98 ms
}
stopwatch.Stop();
Console.WriteLine("If/Else: " + stopwatch.ElapsedMilliseconds.ToString() + " ms");
value = 0;
stopwatch.Restart();
foreach (int i in array)
{
value += (i > 0) ? 2 : 3;
// 141 ms
}
stopwatch.Stop();
Console.WriteLine("Ternary: " + stopwatch.ElapsedMilliseconds.ToString() + " ms");
value = 0;
int tempVar = 0;
stopwatch.Restart();
foreach (int i in array)
{
tempVar = (i > 0) ? 2 : 3;
value += tempVar;
// 100ms
}
stopwatch.Stop();
Console.WriteLine("Ternary with temp var: " + stopwatch.ElapsedMilliseconds.ToString() + " ms");
Console.ReadKey(true);
}
}
}
