C++,C# 效率研究

Robert C. Martin博客中文版有一篇文章，比较了Java, C/C++和Ruby的性能。
看过之后有些不解，于是作了一些测试。在此写一下我的心得体会。

原文地址：
http://blog.csdn.net/rmartin/archive/2006/08/30/1143161.aspx

我这里没有ruby和Java，因此用C#替代，C#的效率应该与Java相当。
原文有一处Bug，我做了一下修改，并且把计时代码提出到循环外。
为了不打断文章，修改后的代码代码附在本文结尾。

经测试，C++和C#的执行性能极为相近，大约在4.3到4.4秒。C++的
平均性能要略高。

接下来，我们必须要查找到影响性能的关键代码。很明显是这一段：
    for (int j=2*n; j         sieve[j] = false; 
经测试，这段代码至少消耗了90%的时间。

下面比较一下产生的汇编代码：
C++:
00401049  mov         byte ptr [eax+esi],0 
0040104D  add         eax,ecx 
0040104F  cmp         eax,edi 
00401051  jl          generate+49h (401049h)

C#:
000000b4  cmp         ebp,dword ptr [esi+4] 
000000b7  jb          000000BE 
000000b9  call        79313459 
000000be  mov         byte ptr [esi+ebp+8],0 
000000c3  add         ebp,edi 
000000c5  cmp         ebp,ebx 
000000c7  jl          000000B4

可以看出，C++的代码更加精减。C#由于要进行运行期的检查，要多
产生一些代码。

那么为什么如此高度优化的C++代码却和C#的效率相差无几？初步猜测，
这与处理器高速缓存的命中率有关。
于是针对这个思路，做了新的测试，减小使用内存的尺寸。获得的执行
时间如下：
C++：453ms
C#：625ms
可以看出，性能的差别还是很明显的。

经过多次调整数据，可以发现，内存超过1M的时候，两种语言的效率
就会非常接近。由此可见，优化代码除了考虑代码本身的效率，还要
考虑缓存的问题。

有兴趣的话可以测试一下这两段代码：
条件一的情况：C++：7.5s  C#：20.2s
另外一种情况：C++：1.82s  C#：2.00s
测试结果可以说明缓存所带来的问题。注意，跟内存分配关系不大的，
即使我把C#的“bool[] p = new bool[i];”提出来，也要耗时14s多。
// C++
int main(int ac, char** av)
{ 
    unsigned time = GetTickCount(); 
#if 1
    for(int i = 100000; i < 200000; i += 1)
#else
    for(int i = 1000000; i < 2000000; i += 1000)
#endif
    {
        bool* p = new bool[i];

        for(int j = 0; j < i; j += 2)
        {
            p[j] = false;
        }

        delete [] p;
    }
    time = GetTickCount() - time;
    cout << time << endl; 
}
// C#
        static void Main(string[] args)
        {
            DateTime start = DateTime.Now;
#if true
            for(int i = 100000; i < 200000; i += 1)
#else
            for(int i = 1000000; i < 2000000; i += 1000)
#endif
            {
                bool[] p = new bool[i];

                for (int j = 0; j < i; j += 2)
                {
                    p[j] = false;
                }
            }
            TimeSpan c = DateTime.Now - start;
            System.Console.WriteLine(c.TotalMilliseconds);
        }


在此顺便说一下我对C++和C#的看法。

首先，必须强调，两种语言都是非常优秀的，并且都有其优势领域。

其次，C#效率很高，用得好的话，的确有可能超过C++程序的效率。有兴趣
的话，大家可以比较一下Apache的xerces xml和.net 2.0的xml，经我测试，
.net 2.0的效率要高一些。

再次，C/C++的效率是最高的（C和C++的代码效率没什么差别，看看生成
的汇编代码就知道了），但是也要看你怎么写程序。你可以写出效率很差
的程序，比如TinyXml，但是也有可能由此获得一定的好处（TinyXml真的
很小）。你也可以写出效率非常高的程序，我曾经写的一个xml解析器效率
是.net 2.0的两倍多，不过也因此去掉了一些xml中不常用的特性。

下面比较一下C#和C++的不同，借此再讨论一下效率的差别。
基于.net framework的程序都有类似的特点，因此我们可以用C#作为其
代表语言来讨论。
C#有以下几点有别于C++的地方：
1：JIT。C#或者其它的.net语言都会被编译成MSIL，运行时才会被编译成
本地代码。这会导致两个坏处：启动速度慢，和优化不完全。不过也有可
能获得一定的好处，比如针对处理器进行特殊的优化，抛弃不用的代码以
减少内存使用等。总的来说，JIT是会降低效率的。微软提供了ngen来生成
本地代码，效率提升很明显，尤其是启动速度和内存用量上的变化。
2：垃圾收集。GC的分配速度很快，这一点要比C++的缺省的new高效。
由于有GC存在，无需维护引用计数，资源的共享变得很容易，这也会简化
代码和提高效率。
不过Collect的时候还是会耗费一些时间。而且大量垃圾内存驻留着，使得
内存用量居高不下。无论是Java还是C#程序，内存用量都比C++要多。
C++可以使用内存池来优化内存的分配，效率会有很大提高。未经优化
的C++程序有可能在这方面极其低效，尤其是某些滥用STL的程序。不了解
底层的实现而去随意使用STL容器会在无意之中就耗尽了CPU资源，隐含的
拷贝构造多数时候就是罪魁祸首。C#和Java就没有这方面的问题。
3：RTTI。强大的RTTI可以使我们很容易地设计某些功能，但是注定会丧失
一些效率。C++里，多数时候使用static_cast就可以解决问题。即使是需要
动态的地方，也可以有一些特殊的解决办法。RTTI和效率就是鱼与熊掌，看
你如何权衡了。
4：指针。C#程序不常用指针，虽然可以使用unsafe代码，但是仔细推敲一
下它生成的最终代码，会发现还不如不用。C#的指针的最大作用应该是使用
这个东西来调用C/C++的函数。
灵活使用指针可以减少数据的拷贝，可以生成效率非常高的代码，也可以
简化代码。C#里必须要使用Marshal来实现这些功能，其实挺麻烦，也低效。
5：Runtime Check。这个就不用多说了，本文所附的程序就是活例子。
Runtime Check与效率也是鱼与熊掌，需要权衡。

总之，使用什么语言，还要看你打算做什么东西。我们必须要客观地了解
各种语言的优缺点，才能做出正确的选择。

// C++

#include  
#include  
#include

using namespace std;

void generate(int max)
{ 
    bool *sieve = new bool[max];
    memset(sieve, 1, max*(sizeof(bool)));

    sieve[0] = false; 
    sieve[1] = false; 
    double maxsqrt = sqrt((double)max); 
    for (int n=2; n     { 
        if (sieve[n])
        { 
            for (int j=2*n; j                 sieve[j] = false; 
        } 
    }

    delete[] sieve;
}

int main(int ac, char** av)
{ 
    unsigned time = GetTickCount(); 
#if 0
    //for (int i = 1000000; i < 2000000; i += 10000)
    for (int i = 10000; i < 20000; i += 1)
    {
        generate(i); 
    }
#else
    for (int i=100000; i<=5000000; i+=100000)
    { 
        generate(i); 
    } 
#endif
    time = GetTickCount() - time;
    cout << time << endl; 
}

// C#
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;

namespace ConsoleApplication1
{
    class Program
    {
        public static unsafe void generate(int max)
        {
            Boolean[] sieve;
            sieve = new Boolean[max];
            for (int i = 0; i < max; i++)
                sieve[i] = true;
            sieve[0] = false;
            sieve[1] = false;
            int maxsqrt = (int)Math.Sqrt(max);
            for (int i = 2; i < maxsqrt; i++)
            {
                if (sieve[i])
                {
                    for (int j = 2 * i; j < max; j += i)
                    {
                        sieve[j] = false;
                    }
                }
            }
        }
        
        static void Main(string[] args)
        {
            DateTime start = DateTime.Now;
#if false
            //for (int i = 1000000; i < 2000000; i += 10000)
            for (int i = 10000; i < 20000; i += 1)
            {
                generate(i); 
            }
#else
            for (int i = 100000; i <= 5000000; i += 100000)
            {
                generate(i);
            }
#endif
            TimeSpan c = DateTime.Now - start;
            System.Console.WriteLine(c.TotalMilliseconds);
        }
    }
}