¿Qué puede explicar la sobrecarga de usar const en este caso?

9

Aquí me estoy golpeando la cabeza contra la pared, así que espero que algunos de ustedes puedan educarme. Estaba haciendo algunos puntos de referencia de rendimiento usando BenchmarkDotNet y me encontré con este extraño caso en el que parece que declarar a un miembro constdegrada considerablemente el rendimiento.

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System;

namespace PerfTest
{
    [DisassemblyDiagnoser(printAsm: true, printSource: true)]
    public class Test
    {
        private int[] data;
        private int Threshold = 90;
        private const int ConstThreshold = 90;

        [GlobalSetup]
        public void GlobalSetup()
        {
            data = new int[1000];
            var random = new Random(42);
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                data[i] = random.Next(100);
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            var summary = BenchmarkRunner.Run<Test>();
        }

        [Benchmark(Baseline = true)]
        public void ClampToMemberValue()
        {
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                if (data[i] > Threshold) data[i] = Threshold;
            }
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToConstValue()
        {
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                if (data[i] > ConstThreshold) data[i] = ConstThreshold;
            }
        }
    }
}

Tenga en cuenta que la única diferencia entre los dos métodos de prueba es si se comparan con una variable miembro regular o un miembro constante.

Según BenchmarkDotNet, el uso del valor const es significativamente más lento y no entiendo por qué.

BenchmarkDotNet=v0.11.5, OS=Windows 10.0.18362
Intel Core i7-5820K CPU 3.30GHz (Broadwell), 1 CPU, 12 logical and 6 physical cores
.NET Core SDK=3.0.100
  [Host]     : .NET Core 3.0.0 (CoreCLR 4.700.19.46205, CoreFX 4.700.19.46214), 64bit RyuJIT
  DefaultJob : .NET Core 3.0.0 (CoreCLR 4.700.19.46205, CoreFX 4.700.19.46214), 64bit RyuJIT


|             Method |     Mean |    Error |   StdDev | Ratio |
|------------------- |---------:|---------:|---------:|------:|
| ClampToMemberValue | 590.4 ns | 1.980 ns | 1.852 ns |  1.00 |
|  ClampToConstValue | 724.6 ns | 4.184 ns | 3.709 ns |  1.23 |

Mirar el código compilado JIT no lo explica por lo que puedo decir. Aquí está el código para los dos métodos. La única diferencia es si la comparación se realiza contra un registro o un literal.

00007ff9`7f1b8500 PerfTest.Test.ClampToMemberValue()
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                 ^^^^^^^^^
00007ff9`7f1b8504 33c0            xor     eax,eax
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                            ^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1b8506 488b5108        mov     rdx,qword ptr [rcx+8]
00007ff9`7f1b850a 837a0800        cmp     dword ptr [rdx+8],0
00007ff9`7f1b850e 7e2e            jle     00007ff9`7f1b853e
00007ff9`7f1b8510 8b4910          mov     ecx,dword ptr [rcx+10h]
                if (data[i] > Threshold) data[i] = Threshold;
                ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1b8513 4c8bc2          mov     r8,rdx
00007ff9`7f1b8516 458b4808        mov     r9d,dword ptr [r8+8]
00007ff9`7f1b851a 413bc1          cmp     eax,r9d
00007ff9`7f1b851d 7324            jae     00007ff9`7f1b8543
00007ff9`7f1b851f 4c63c8          movsxd  r9,eax
00007ff9`7f1b8522 43394c8810      cmp     dword ptr [r8+r9*4+10h],ecx
00007ff9`7f1b8527 7e0e            jle     00007ff9`7f1b8537
                if (data[i] > Threshold) data[i] = Threshold;
                                         ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1b8529 4c8bc2          mov     r8,rdx
00007ff9`7f1b852c 448bc9          mov     r9d,ecx
00007ff9`7f1b852f 4c63d0          movsxd  r10,eax
00007ff9`7f1b8532 47894c9010      mov     dword ptr [r8+r10*4+10h],r9d
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                                             ^^^
00007ff9`7f1b8537 ffc0            inc     eax
00007ff9`7f1b8539 394208          cmp     dword ptr [rdx+8],eax
00007ff9`7f1b853c 7fd5            jg      00007ff9`7f1b8513
        }
        ^
00007ff9`7f1b853e 4883c428        add     rsp,28h

y

00007ff9`7f1a8500 PerfTest.Test.ClampToConstValue()
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                 ^^^^^^^^^
00007ff9`7f1a8504 33c0            xor     eax,eax
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                            ^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1a8506 488b5108        mov     rdx,qword ptr [rcx+8]
00007ff9`7f1a850a 837a0800        cmp     dword ptr [rdx+8],0
00007ff9`7f1a850e 7e2d            jle     00007ff9`7f1a853d
                if (data[i] > ConstThreshold) data[i] = ConstThreshold;
                ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1a8510 488bca          mov     rcx,rdx
00007ff9`7f1a8513 448b4108        mov     r8d,dword ptr [rcx+8]
00007ff9`7f1a8517 413bc0          cmp     eax,r8d
00007ff9`7f1a851a 7326            jae     00007ff9`7f1a8542
00007ff9`7f1a851c 4c63c0          movsxd  r8,eax
00007ff9`7f1a851f 42837c81105a    cmp     dword ptr [rcx+r8*4+10h],5Ah
00007ff9`7f1a8525 7e0f            jle     00007ff9`7f1a8536
                if (data[i] > ConstThreshold) data[i] = ConstThreshold;
                                              ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1a8527 488bca          mov     rcx,rdx
00007ff9`7f1a852a 4c63c0          movsxd  r8,eax
00007ff9`7f1a852d 42c74481105a000000 mov   dword ptr [rcx+r8*4+10h],5Ah
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                                             ^^^
00007ff9`7f1a8536 ffc0            inc     eax
00007ff9`7f1a8538 394208          cmp     dword ptr [rdx+8],eax
00007ff9`7f1a853b 7fd3            jg      00007ff9`7f1a8510
        }
        ^
00007ff9`7f1a853d 4883c428        add     rsp,28h

Estoy seguro de que hay algo que he pasado por alto, pero no puedo entenderlo en este punto, así que estoy buscando información sobre lo que puede explicar esto.

c# performance benchmarkdotnet Brian Rasmussen
fuente
@OlivierRogier Recuerdo que fallaba BenchmarkDotNet cuando se ejecutaba en Debug.
Eufórico el
De hecho, el uso de un cronómetro demuestra que usar un const int es un poco más lento que un campo en un simple a * a ... incluso si el código IL usa más operandos.
Olivier Rogier
1
Utilizando BenchmarkDotNet 12.0 y .Net Framework 4,8, ejecuto el código exacto de la pregunta y no veo ninguna diferencia significativa en los resultados entre los dos métodos cuando se ejecuta en x86. Puedo ver la diferencia observada cuando cambio a x64.
NineBerry
Las instrucciones cmpy movque se usan para la ruta constante ocupan más memoria que las instrucciones basadas en un registro porque la codificación de un número requiere bytes adicionales y, en total, requieren más ciclos de CPU para ejecutarse (9 bytes vs 5 bytes para movy 6 bytes vs 5 bytes para cmp) . Y a pesar de que hay mov ecx,dword ptr [rcx+10h]instrucciones adicionales para la versión no constante, es muy probable que el compilador JIT esté optimizado para estar fuera del bucle en la versión de lanzamiento.
Dmytro Mukalov
@DmytroMukalov ¿Pero la optimización para la versión sin constante no haría que se comportara de manera diferente en ejecución paralela? ¿Cómo puede el compilador optimizarlo cuando la variable se puede cambiar en un hilo diferente?
Eufórico el

Respuestas:

4

Mirando https://benchmarkdotnet.org/articles/features/setup-and-cleanup.html

Creo que deberías estar usando en [IterationSetup]lugar de [GlobalSetup]. Con la configuración global, datase cambia una vez y luego datase reutiliza en los puntos de referencia.

Entonces, he cambiado el código para usar la inicialización adecuada. Variables modificadas para que los controles sean más frecuentes. Y agregó algunas variaciones más.

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System;

namespace PerfTest
{
    [DisassemblyDiagnoser(printAsm: true, printSource: true)]
    public class Test
    {
        private int[] data;
        private int[] data_iteration;

        private int Threshold = 50;
        private const int ConstThreshold = 50;

        [GlobalSetup]
        public void GlobalSetup()
        {
            data = new int[100000];
            var random = new Random(42);
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                data[i] = random.Next(100);
            }
        }

        [IterationSetup]
        public void IterationSetup()
        {
            data_iteration = new int[data.Length];
            Array.Copy(data, data_iteration, data.Length);
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            var summary = BenchmarkRunner.Run<Test>();
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToClassConstValue()
        {
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > ConstThreshold) data_iteration[i] = ConstThreshold;
            }
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToLocalConstValue()
        {
            const int ConstThresholdLocal = 50;
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > ConstThresholdLocal) data_iteration[i] = ConstThresholdLocal;
            }
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToInlineValue()
        {
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > 50) data_iteration[i] = 50;
            }
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToLocalVariable()
        {
            var ThresholdLocal = 50;
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > ThresholdLocal) data_iteration[i] = ThresholdLocal;
            }
        }

        [Benchmark(Baseline = true)]
        public void ClampToMemberValue()
        {
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > Threshold) data_iteration[i] = Threshold;
            }
        }
    }
}

Los resultados parecen más normales: 

BenchmarkDotNet=v0.12.0, OS=Windows 10.0.17134.1069 (1803/April2018Update/Redstone4)
Intel Core i7-8850H CPU 2.60GHz (Coffee Lake), 1 CPU, 12 logical and 6 physical cores
Frequency=2531250 Hz, Resolution=395.0617 ns, Timer=TSC
.NET Core SDK=3.0.100
  [Host]     : .NET Core 3.0.0 (CoreCLR 4.700.19.46205, CoreFX 4.700.19.46214), X64 RyuJIT
  Job-INSHHX : .NET Core 3.0.0 (CoreCLR 4.700.19.46205, CoreFX 4.700.19.46214), X64 RyuJIT

InvocationCount=1  UnrollFactor=1

|                 Method |     Mean |    Error |   StdDev |   Median | Ratio | RatioSD |
|----------------------- |---------:|---------:|---------:|---------:|------:|--------:|
| ClampToClassConstValue | 391.5 us | 17.86 us | 17.54 us | 384.2 us |  1.02 |    0.05 |
| ClampToLocalConstValue | 399.6 us |  9.49 us | 11.66 us | 399.0 us |  1.05 |    0.07 |
|     ClampToInlineValue | 384.1 us |  5.99 us |  5.00 us | 383.0 us |  1.00 |    0.06 |
|   ClampToLocalVariable | 382.7 us |  3.60 us |  3.00 us | 382.0 us |  1.00 |    0.05 |
|     ClampToMemberValue | 379.6 us |  8.48 us | 16.73 us | 371.8 us |  1.00 |    0.00 |

No parece haber ninguna diferencia entre las diferentes variantes. O bien todo está optimizado o const int no está optimizado de ninguna manera en este escenario.

Eufórico
fuente
También estuve jugando con esto y creo que estás haciendo algo, así que gracias por el aporte. Si la matriz sobrevive entre los puntos de referencia, entonces la predicción de la rama será diferente entre los dos casos. Voy a hurgar un poco más.
Brian Rasmussen
@BrianRasmussen Creo que una diferencia principal es que cuando la matriz sobrevive con sus valores, solo el primer punto de referencia que se ejecuta tiene que hacer el trabajo de cambiar la matriz. Para todos los puntos de referencia adicionales en la misma matriz, el if nunca será cierto.
NineBerry
@NineBerry buen punto. Si la mayoría de las pruebas se ejecutan con los valores alterados, todavía no puedo explicar la diferencia, pero hacer la configuración de iteración parece importar, así que hay algo aquí para profundizar. ¡Gracias a los dos!
Brian Rasmussen
En realidad, mi punto no era tan bueno. Dado el código original en la pregunta, GlobalSetupse ejecuta dos veces, una vez antes de cada Benchmark, por lo que ambos métodos comienzan con la misma condición previa.
NineBerry
@NineBerry Sí. Pero cada método se ejecuta muchas veces como una forma de suavizar los extremos. Entonces, para cada método hay una iteración que está bien y luego todas las demás que se comportan de manera diferente.
Eufórico el