Удивительно отличается производительность простой программы на С#

Ниже приведена простая программа, которая с небольшими изменениями оказывает существенное влияние на производительность, и я не понимаю, почему.

То, что делает программа, на самом деле не имеет значения, но она вычисляет PI очень запутанным способом, подсчитывая столкновения между двумя объектами различной массы и стеной. Когда я менял код, я заметил довольно большую разницу в производительности.

Рассматриваемые строки являются закомментированными, которые математически эквивалентны. Использование медленной версии делает всю программу примерно вдвое дольше, чем использование быстрой версии.

int iterations = 0;

for (int i = 4; i < 9; i++)
{
    Stopwatch s = Stopwatch.StartNew();

    double ms = 1.0;
    double mL = Math.Pow(100.0, i);
    double uL = 1.0;
    double us = 0.0;
    double msmLInv = 1d / (ms + mL);

    long collisions = 0;
    while (!(uL < 0 && us <= 0 && uL <= us))
    {
        Debug.Assert(++iterations > 0);
        ++collisions;

        double vs = (2 * mL * uL + us * (ms - mL)) * msmLInv;

        //double vL = (2 * ms * us - uL * (ms - mL)) * msmLInv; //fast
        double vL = uL + (us - vs) / mL; //slow


        Debug.Assert(Math.Abs(((2 * ms * us - uL * (ms - mL)) * msmLInv) - (uL + (us - vs) / mL)) < 0.001d); //checks equality between fast and slow
        if (vs > 0)
        {
            ++collisions;
            vs = -vs;
        }

        us = vs;
        uL = vL;
    }

    s.Stop();


    Debug.Assert(collisions.ToString() == "314159265359".Substring(0, i + 1)); //check the correctness
    Console.WriteLine($"i: {i}, T: {s.ElapsedMilliseconds / 1000f}, PI: {collisions}");
}

Debug.Assert(iterations == 174531180); //check that we dont skip loops

Console.Write("Waiting...");
Console.ReadKey();

Моя интуиция говорит, что поскольку быстрая версия имеет 7 операций по сравнению с 4 операциями медленной, медленная должна быть быстрее, но это не так.

Я разобрал программу с помощью .NET Reflector, который показывает, что они в основном равны, как и ожидалось, за исключением части, показанной ниже. Код до и после одинаковый

//slow
ldloc.s uL
ldloc.2 
ldloc.s us
ldloc.s vs
sub 
mul 
ldloc.3 
div 
add 

//fast
ldc.r8 2
ldloc.2 
mul 
ldloc.s us
mul 
ldloc.s uL
ldloc.2 
ldloc.3 
sub 
mul 
sub 
ldloc.2 
ldloc.3 
add 
div 

Это также показывает, что с быстрой версией выполняется больше кода, что также заставляет меня ожидать, что она будет медленнее.

Единственное предположение, которое у меня есть сейчас, заключается в том, что медленная версия вызывает больше кеш-ошибок, но я не знаю, как это измерить (руководство будет приветствоваться). Кроме этого я в растерянности.


РЕДАКТИРОВАТЬ 1. Согласно запросу @EricLippert здесь разборка из JIT для внутреннего цикла while, где есть разница.

РЕДАКТИРОВАТЬ 2. Решил, как сломать в выпуске программы и обновил разборки, так что теперь, кажется, есть некоторая разница. Я получил эти результаты, запустив релизную версию, остановив программу в той же функции с помощью ReadKey, подключив отладчик, заставив программу продолжить выполнение, разбив следующую строку и войдя в окно разборки (ctrl + alt + d)

РЕДАКТИРОВАТЬ 3. Измените код на обновленный пример базы на все предложения.

//slow
    78: 
    79:                     vs = (2 * mL * uL + us * (ms - mL)) / (ms + mL);
00C10530  call        CA9AD013  
00C10535  fdiv        st,st(3)  
00C10537  faddp       st(2),st  
    80: 
    81:                     //double vL = (2 * ms * us - uL * (ms - mL)) / (ms + mL); //fast
    82:                     double vL = uL + ms * (us - vs) / mL; //slow
00C10539  fldz  
00C1053B  fcomip      st,st(1)  
00C1053D  jp          00C10549  
00C1053F  jae         00C10549  
00C10541  add         ebx,1  
00C10544  adc         edi,0  
00C10547  fchs  
00C10549  fld         st(1)  
    73: 
    74:                 while (!(uL < 0 && us <= 0 && uL <= us))
00C1054B  fldz  
00C1054D  fcomip      st,st(3)  
00C1054F  fstp        st(2)  
00C10551  jp          00C10508  
00C10553  jbe         00C10508  
00C10555  fldz  
00C10557  fcomip      st,st(1)  
00C10559  jp          00C10508  
00C1055B  jb          00C10508  
00C1055D  fxch        st(1)  
00C1055F  fcomi       st,st(1)  
00C10561  jnp         00C10567  
00C10563  fxch        st(1)  
00C10565  jmp         00C10508  
00C10567  jbe         00C1056D  
00C10569  fxch        st(1)  
00C1056B  jmp         00C10508  
00C1056D  fstp        st(1)  
00C1056F  fstp        st(0)  
00C10571  fstp        st(0)  
    92:                 }
    93: 
    94:                 s.Stop();
00C10573  mov         ecx,esi  
00C10575  call        71880260  
    95: 
    96:                 Console.WriteLine($"i: {i}, T: {s.ElapsedMilliseconds / 1000f}, PI: {collisions}");
00C1057A  mov         ecx,725B0994h  
00C1057F  call        00B930C8  
00C10584  mov         edx,eax  
00C10586  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
00C10589  mov         dword ptr [edx+4],eax  
00C1058C  mov         dword ptr [ebp-34h],edx  
00C1058F  mov         ecx,725F3778h  
00C10594  call        00B930C8  
00C10599  mov         dword ptr [ebp-38h],eax  
00C1059C  mov         ecx,725F2C10h  
00C105A1  call        00B930C8  
00C105A6  mov         dword ptr [ebp-3Ch],eax  
00C105A9  mov         ecx,esi  
00C105AB  call        71835820  
00C105B0  push        edx  
00C105B1  push        eax  
00C105B2  push        0  
00C105B4  push        2710h  
00C105B9  call        736071A0  
00C105BE  mov         dword ptr [ebp-48h],eax  
00C105C1  mov         dword ptr [ebp-44h],edx  
00C105C4  fild        qword ptr [ebp-48h]  
00C105C7  fstp        dword ptr [ebp-40h]  
00C105CA  fld         dword ptr [ebp-40h]  
00C105CD  fdiv        dword ptr ds:[0C10678h]  
00C105D3  mov         eax,dword ptr [ebp-38h]  
00C105D6  fstp        dword ptr [eax+4]  
00C105D9  mov         edx,dword ptr [ebp-38h]  
00C105DC  mov         eax,dword ptr [ebp-3Ch]  
00C105DF  mov         dword ptr [eax+4],ebx  
00C105E2  mov         dword ptr [eax+8],edi  
00C105E5  mov         esi,dword ptr [ebp-3Ch]  
00C105E8  lea         edi,[ebp-30h]  
00C105EB  xorps       xmm0,xmm0  
00C105EE  movq        mmword ptr [edi],xmm0  
00C105F2  movq        mmword ptr [edi+8],xmm0  
00C105F7  push        edx  
00C105F8  push        esi  
00C105F9  lea         ecx,[ebp-30h]  
00C105FC  mov         edx,dword ptr [ebp-34h]  
00C105FF  call        724A2ED4  
00C10604  lea         eax,[ebp-30h]  
00C10607  push        dword ptr [eax+0Ch]  
00C1060A  push        dword ptr [eax+8]  
00C1060D  push        dword ptr [eax+4]  
00C10610  push        dword ptr [eax]  
00C10612  mov         edx,dword ptr ds:[3832310h]  
00C10618  xor         ecx,ecx  
00C1061A  call        72497A00  
00C1061F  mov         ecx,eax  
00C10621  call        72571934  
    61:             for (int i = 4; i < 9; i++)
00C10626  inc         dword ptr [ebp-14h]  
00C10629  cmp         dword ptr [ebp-14h],9  
00C1062D  jl          00C10496  
    97:             }
    98: 
    99:             Console.WriteLine(loops);
00C10633  mov         ecx,dword ptr [ebp-10h]  
00C10636  call        72C583FC  
   100:             Console.Write("Waiting...");
00C1063B  mov         ecx,dword ptr ds:[3832314h]  
00C10641  call        724C67F0  
00C10646  lea         ecx,[ebp-20h]  
00C10649  xor         edx,edx  
00C1064B  call        72C57984  
00C10650  lea         esp,[ebp-0Ch]  
00C10653  pop         ebx  
00C10654  pop         esi  
00C10655  pop         edi  
00C10656  pop         ebp  
00C10657  ret  

//fast
 80: 
    81:                     double vL = (2 * ms * us - uL * (ms - mL)) / (ms + mL); //fast
02FD0550  or          al,83h  
    80: 
    81:                     double vL = (2 * ms * us - uL * (ms - mL)) / (ms + mL); //fast
02FD0552  ret  
02FD0553  add         dword ptr [ebx-3626FF29h],eax  
02FD0559  fchs  
02FD055B  fxch        st(1)  
02FD055D  fld         st(0)  
    73: 
    74:                 while (!(uL < 0 && us <= 0 && uL <= us))
02FD055F  fldz  
02FD0561  fcomip      st,st(2)  
02FD0563  fstp        st(1)  
02FD0565  jnp         02FD056B  
02FD0567  fxch        st(1)  
02FD0569  jmp         02FD050B  
02FD056B  ja          02FD0571  
02FD056D  fxch        st(1)  
02FD056F  jmp         02FD050B  
02FD0571  fldz  
02FD0573  fcomip      st,st(2)  
02FD0575  jnp         02FD057B  
02FD0577  fxch        st(1)  
02FD0579  jmp         02FD050B  
02FD057B  jae         02FD0581  
02FD057D  fxch        st(1)  
02FD057F  jmp         02FD050B  
02FD0581  fcomi       st,st(1)  
02FD0583  jnp         02FD0589  
02FD0585  fxch        st(1)  
02FD0587  jmp         02FD050B  
02FD0589  jbe         02FD0592  
02FD058B  fxch        st(1)  
02FD058D  jmp         02FD050B  
02FD0592  fstp        st(1)  
02FD0594  fstp        st(0)  
    92:                 }
    93: 
    94:                 s.Stop();
02FD0596  mov         ecx,esi  
02FD0598  call        71880260  
    95: 
    96:                 Console.WriteLine($"i: {i}, T: {s.ElapsedMilliseconds / 1000f}, PI: {collisions}");
02FD059D  mov         ecx,725B0994h  
02FD05A2  call        013830C8  
02FD05A7  mov         edx,eax  
02FD05A9  mov         eax,dword ptr [ebp-14h]  
02FD05AC  mov         dword ptr [edx+4],eax  
02FD05AF  mov         dword ptr [ebp-3Ch],edx  
02FD05B2  mov         ecx,725F3778h  
02FD05B7  call        013830C8  
02FD05BC  mov         dword ptr [ebp-40h],eax  
02FD05BF  mov         ecx,725F2C10h  
02FD05C4  call        013830C8  
02FD05C9  mov         dword ptr [ebp-44h],eax  
02FD05CC  mov         ecx,esi  
02FD05CE  call        71835820  
02FD05D3  push        edx  
02FD05D4  push        eax  
02FD05D5  push        0  
02FD05D7  push        2710h  
02FD05DC  call        736071A0  
02FD05E1  mov         dword ptr [ebp-50h],eax  
02FD05E4  mov         dword ptr [ebp-4Ch],edx  
02FD05E7  fild        qword ptr [ebp-50h]  
02FD05EA  fstp        dword ptr [ebp-48h]  
02FD05ED  fld         dword ptr [ebp-48h]  
02FD05F0  fdiv        dword ptr ds:[2FD06A8h]  
02FD05F6  mov         eax,dword ptr [ebp-40h]  
02FD05F9  fstp        dword ptr [eax+4]  
02FD05FC  mov         edx,dword ptr [ebp-40h]  
02FD05FF  mov         eax,dword ptr [ebp-44h]  
02FD0602  mov         dword ptr [eax+4],ebx  
02FD0605  mov         dword ptr [eax+8],edi  
02FD0608  mov         esi,dword ptr [ebp-44h]  
02FD060B  lea         edi,[ebp-38h]  
02FD060E  xorps       xmm0,xmm0  
02FD0611  movq        mmword ptr [edi],xmm0  
02FD0615  movq        mmword ptr [edi+8],xmm0  
02FD061A  push        edx  
02FD061B  push        esi  
02FD061C  lea         ecx,[ebp-38h]  
02FD061F  mov         edx,dword ptr [ebp-3Ch]  
02FD0622  call        724A2ED4  
02FD0627  lea         eax,[ebp-38h]  
02FD062A  push        dword ptr [eax+0Ch]  
02FD062D  push        dword ptr [eax+8]  
02FD0630  push        dword ptr [eax+4]  
02FD0633  push        dword ptr [eax]  
02FD0635  mov         edx,dword ptr ds:[4142310h]  
02FD063B  xor         ecx,ecx  
02FD063D  call        72497A00  
02FD0642  mov         ecx,eax  
02FD0644  call        72571934  
    61:             for (int i = 4; i < 9; i++)
02FD0649  inc         dword ptr [ebp-14h]  
02FD064C  cmp         dword ptr [ebp-14h],9  
02FD0650  jl          02FD0496  
    97:             }
    98: 
    99:             Console.WriteLine(loops);
02FD0656  mov         ecx,dword ptr [ebp-10h]  
02FD0659  call        72C583FC  
   100:             Console.Write("Waiting...");
02FD065E  mov         ecx,dword ptr ds:[4142314h]  
02FD0664  call        724C67F0  
02FD0669  lea         ecx,[ebp-28h]  
02FD066C  xor         edx,edx  
02FD066E  call        72C57984  
02FD0673  lea         esp,[ebp-0Ch]  
02FD0676  pop         ebx  
02FD0677  pop         esi  
02FD0678  pop         edi  
02FD0679  pop         ebp  
02FD067A  ret  

Ответ 1

Я думаю, что причина в конвейерной обработке команд процессора. Ваше медленное уравнение зависит от vs, то есть сначала нужно вычислить vs, а затем вычислить vl.

но в вашем быстром уравнении может быть передано больше инструкций, так как vs и vl могут быть вычислены одновременно, потому что они не зависят друг от друга.

Пожалуйста, не путайте это с многопоточностью. Конвейерная обработка команд - это нечто, реализованное на очень низком аппаратном уровне и пытающееся использовать как можно больше модулей ЦП одновременно для достижения максимальной пропускной способности команд.

Ответ 2

Вам расчеты не равны

double vL = (2 * ms * us - uL * (ms - mL)) / (ms + mL); //fast
double vL = uL + ms * (us - vs) / mL; //slow

Пример: я скучаю по vs в быстрой версии

Я ожидаю, что ваш цикл while делает больше итераций из-за этого?