Czy sposób pisania pętli for ma wpływ na wydajność?

Home

Przy okazji codziennej prasówki natknąłem się na ten artykuł na temat wydajności pętli for w JavaScript'cie dla różnych przeglądarek. W skrócie chodzi o to czy powinniśmy pisać pętlą for tak:

for (int i = 0; i < array.Length; i++)
   ...

A może raczej tak, czyli zapamiętać długości tablicy w zmiennej pomocniczej i nie odczytywać jej przy każdym przebiegu pętli:

for (int i = 0, len = array.Length; i < len; i++)
   ...

Z ciekawości sprawdziłem czy taka mikro optymalizacja ma jakiekolwiek znaczenie w przypadku programowania na platformę .NET. Do zmierzenia czasu użyłem takiej metody pomocniczej:

public static void MeasureIt<T>(Action<T> action, T arg, int noOfIterations)
{
   var sw = new Stopwatch();
   sw.Start();

   for (var i = 0; i < noOfIterations; ++i)
      action(arg);

   sw.Stop();
   Console.WriteLine("Total time: " + sw.ElapsedMilliseconds);
}

Następnie wykonałem następujący test:

var noOfIterations = 100000;
var noOfElements = 10000;
var array = Enumerable.Repeat(1, noOfElements).ToArray();
//Przypadek 1
MeasureIt(arg =>
{
   var total = 0;
   for (var i = 0; i < arg.Length; i++)
      total += a[i];  
}, array, noOfIterations);
//Przypadek 2
MeasureIt(arg =>
{
   var total = 0;
   for (int i = 0, len = arg.Length; i < len; i++)
      total += a[i];
}, array, noOfIterations);

Dla rzetelności testy uruchomiłem wielokrotnie. Czas wykonywania obliczeń w obu przypadkach wynosił około 320ms z dokładnością do kilku milisekund. Czasami pierwsze podejście było szybsze, a czasami drugie. Z jednej strony czegoś takiego się spodziewałem. Z drugiej strony sądziłem, że jednak zaobserwuję pewien zysk w drugim przypadku. Dlaczego?

Otóż jeśli spojrzymy na kod pośredni wygenerowany przez kompilator to te dwie implementacje bynajmniej nie są identyczne. W pierwszym przypadku długość tablicy odczytywana jest wielokrotnie na koniec pętli, a w drugim tylko raz przed właściwą pętlą. Najwidoczniej jest to jednak tak szybka operacja, że się nie liczy (w IL do odczytania długości jednowymiarowej tablicy istnieje dedykowana instrukcja ldlen).

Dodatkowo przeprowadziłem podobny test dla użycia listy generycznej List<T>. Tym razem różnice były już zauważalne i wynosiły około 27% na rzecz zapamiętania liczby elementów listy w dodatkowej zmiennej. Średnio pierwsza wersja wykonywała się 957ms, a druga 752ms. Wynika to z tego, że aby odczytać liczbę elementów w liście należy odczytać właściwość Count czyli metodę get_Count. Na poziomie IL jest to robione przy pomocy instrukcji callvirt (w telegraficznym skrócie służącej do wołania metod na rzecz obiektów), a nie dedykowanej (i pewnie zoptymalizowanej) instrukcji ldlen jak ma to miejsce w przypadku tablic. Pomimo tych różnic uważam jednak, że w codziennej praktyce programistycznej nie należy się tym przejmować gdyż różnice w czasach obliczeń, w porównaniu do dużej liczby iteracji (100000), są zbyt małe.