C#高性能数组拷贝实验

时间：2023-01-30 13:08:02

前言

昨天 wc(Wyu_Cnk) 提了个问题

C# 里多维数组拷贝有没有什么比较优雅的写法？

这不是问对人了吗？正好我最近在搞图像处理，要和内存打交道，我一下就想到了在C#里面直接像C/C++一样做内存拷贝。

优雅？no，要的就是装逼，而且性能还要强????

概念

首先澄清一下

C# 里的多维数组 (Multi-dimensional Array) 是这样的

byte[,] arr = new byte[10, 10];

下面这种写法是交错数组 (Jagged Array)，就是数组里面套着数组

byte[][] arr = new byte[10][];

具体区别请看文末的参考资料~

开始

接下来介绍几种拷贝数组的方法，然后再比较一下不同实现的性能

定义一下常量，SIZE 表示数组大小，COUNT 表示等会要做拷贝测试的循环次数

const int COUNT = 32, SIZE = 32 << 20;

这里用了移位操作，32左移20位就是在32的二进制数后面补20个0，相当于 32*2^20，只是用来定义一个比较大的数，现在的电脑性能太强了，小一点的数组复制起来太快了，看不出区别。

接着定义几个数组，这里写了五组一维数组，每个不同的数组拷贝方法测试用不同的数组，这样可以避免CPU缓存。

private static byte[]
    aSource = new byte[SIZE],
    aTarget = new byte[SIZE],
    bSource = new byte[SIZE],
    bTarget = new byte[SIZE],
    cSource = new byte[SIZE],
    cTarget = new byte[SIZE],
    dSource = new byte[SIZE],
    dTarget = new byte[SIZE],
    eSource = new byte[SIZE],
    eTarget = new byte[SIZE];

然后把这几个数组拷贝方法都测试一下

  • Clone方式: array.Clone()
  • Linq: array.Select(x=>x).ToArray()
  • Array.Copy()
  • Buffer.BlockCopy()
  • Buffer.MemoryCopy()

Clone 方式

在C#中，只要实现了 ICloneable 接口的对象，就有 Clone 方法

所以数组也可以通过这种方式来实现拷贝

很简单，直接 var newArray = (byte[])array.Clone() 就行了

代码如下

static void TestArrayClone() {
    var sw = Stopwatch.StartNew();
    sw.Start();
    for (var i = 0; i < COUNT; i++) {
        dTarget = (byte[])dSource.Clone();
    }

    sw.Stop();
    Console.WriteLine("Array.Clone: {0:N0} ticks, {1} ms", sw.ElapsedTicks, sw.ElapsedMilliseconds);
}

这里用了 Stopwatch 来记录执行时间，后面的其他拷贝方法里面也有，等会用这个计算出来的 ticks 和毫秒，可以比较不同实现的性能差距。

Linq方式

其实不用测试也知道这个方式是最慢的

就是一个个元素遍历，再重新构造个新的数组

代码如下

eTarget = eSource.Select(x => x).ToArray();

Array.Copy()

使用静态方法 Array.Copy() 来实现数组复制

提示：性能是不错的，使用也方便

代码如下，只需要指定长度即可

Array.Copy(cSource, cTarget, SIZE);

或者用另一个重载，可以分别指定两个数组的偏移值

Array.Copy(cSource, 0, cTarget, 0, SIZE);

Buffer.BlockCopy()

Buffer 类是用来操作基本类型数组的

Manipulates arrays of primitive types.

代码如下

Buffer.BlockCopy(bSource, 0, bTarget, 0, SIZE);

跟上面的 Array.Copy 第二个重载一样，需要分别指定两个数组的偏移值

Buffer.MemoryCopy()

这个是 unsafe 方法，需要用到指针 ???? 理论上是性能最好的

我最喜欢的就是这个方法（逼格高）

使用 unsafe 代码，请先在编译选项里面开启 allow unsafe code 选项。

这个 MemoryCopy 方法的函数签名是这样的

static unsafe void MemoryCopy(void* source, void* destination, long destinationSizeInBytes, long sourceBytesToCopy)

前两个参数是指针类型，后俩个是长度，注意是bytes字节数，不是数组的元素个数

C#中的byte占8bit，刚好是一个byte，所以直接用元素个数就行，如果是其他类型的数组，得根据类型长度计算字节数，然后再传进去。

代码如下，在函数定义里面加上unsafe关键字以使用 fixed 块和指针

static unsafe void TestBufferMemoryCopy() {
    var sw = Stopwatch.StartNew();
    fixed (byte* pSrc = fSource, pDest = fTarget) {
        for (int i = 0; i < COUNT; i++) {
            Buffer.MemoryCopy(pSrc, pDest, SIZE, SIZE);
        }
    }

    Console.WriteLine("Buffer.MemoryCopy (2d): {0:N0} ticks, {1} ms", sw.ElapsedTicks, sw.ElapsedMilliseconds);
}

然后

我在搜索资料的过程中还发现了有人用了 Buffer.Memcpy 这个方法，但这个是 internal 方法，没有开放，得用黑科技去调用

我折腾了很久，终于搞出了调用非公开方法的代码

unsafe delegate void Memcpy(byte* src, byte* dest, int len);

internal class Program {
    private static Memcpy memcpy;
    static Program() {
        var methodInfo = typeof(Buffer).GetMethod(
            "Memcpy",
            BindingFlags.Static | BindingFlags.NonPublic,
            null,
            new Type[] { typeof(byte*), typeof(byte*), typeof(int) },
            null
        );
        if (methodInfo == null) {
            Console.WriteLine("init failed! method is not found.");
            return;
        }

        memcpy = (Memcpy)Delegate.CreateDelegate(typeof(Memcpy), methodInfo);
    }
}

实际测试这个 Memcpy 和 MemoryCopy 的性能是差不多的

看了一下.NetCore的源码

果然，这俩个的实现基本是一样的

// Used by ilmarshalers.cpp
internal static unsafe void Memcpy(byte* dest, byte* src, int len)
{
    Debug.Assert(len >= 0, "Negative length in memcpy!");
    Memmove(ref *dest, ref *src, (nuint)(uint)len /* force zero-extension */);
}

另一个

public static unsafe void MemoryCopy(void* source, void* destination, long destinationSizeInBytes, long sourceBytesToCopy)
{
    if (sourceBytesToCopy > destinationSizeInBytes) { ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.sourceBytesToCopy);
    }
    Memmove(ref *(byte*)destination, ref *(byte*)source, checked((nuint)sourceBytesToCopy));
}

这俩最终都是调用的 Memmove 这个方法

区别就是这俩方法的参数不一样了。

benchmark

性能测试结果

Array.Copy: 49,923,612 ticks, 49 ms
Buffer.BlockCopy: 52,497,377 ticks, 52 ms
Buffer.Memcpy: 49,067,555 ticks, 49 ms
Buffer.MemoryCopy (2d): 48,982,014 ticks, 48 ms
Array.Clone: 360,640,218 ticks, 360 ms
Linq: 1,988,890,052 ticks, 1988 ms

Array.Copy: 48,653,699 ticks, 48 ms
Buffer.BlockCopy: 48,040,093 ticks, 48 ms
Buffer.Memcpy: 47,818,057 ticks, 47 ms
Buffer.MemoryCopy (2d): 49,084,413 ticks, 49 ms
Array.Clone: 406,848,666 ticks, 406 ms
Linq: 1,943,498,307 ticks, 1943 ms

Array.Copy: 48,943,429 ticks, 48 ms
Buffer.BlockCopy: 47,989,824 ticks, 47 ms
Buffer.Memcpy: 48,053,817 ticks, 48 ms
Buffer.MemoryCopy (2d): 49,065,368 ticks, 49 ms
Array.Clone: 364,339,126 ticks, 364 ms
Linq: 1,999,189,800 ticks, 1999 ms

Array.Copy: 49,679,913 ticks, 49 ms
Buffer.BlockCopy: 48,651,877 ticks, 48 ms
Buffer.Memcpy: 48,262,443 ticks, 48 ms
Buffer.MemoryCopy (2d): 49,683,361 ticks, 49 ms
Array.Clone: 429,384,291 ticks, 429 ms
Linq: 1,932,109,712 ticks, 1932 ms

该用哪个方法来拷贝数组，一目了然了吧~ ????

参考资料

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