前面我们测试了C语言这样纯编译型语言。那么对于像C#这样由虚拟机执行的语言，“位掩码代替分支”法是否也有效果呢？于是本文对此进行探讨。
一、移植要点
C#的语法与C语言很相像，多数代码可以直接用，但要注意以下几点。
1.1 unsafe——不安全上下文
C#虽然支持指针，但必须在unsafe——不安全上下文 中才能使用。
要使用unsafe，必须先配置项目属性，允许不安全代码——
1.项目->属性，打开项目的属性页。
2.点击左侧“生成”，切换到“生成”页。
3.点击上侧的“配置”组合框，选择“所有配置(C)”。
4.勾选“常规”中的“允许不安全代码(F)”。
5.点击工具栏上的“保存”按钮。
unsafe有两种用法——
1.unsafe方法。在函数的声明中增加“unsafe”关键字。
2.unsafe区块。在函数内，使用“unsafe{ ... }”标识不安全代码的区块。
当函数有指针参数时，只能使用第1种方法。
例如，C语言中f0_if函数的声明为——
void f0_if(BYTE* pbufD, const signed short* pbufS, int cnt)
而在C#中，该函数的声明应改为——
static unsafe void f0_if(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
因为f0_if不会修改对象成员，所以应加上“static”关键字表示它是静态函数，而不是对象的成员方法。
1.2 unchecked——不检查整数溢出
在C语言中不会检查整数溢出，正好被我们的位运算算法所利用。而在C#中，可以配置整数溢出检查的，具体配置方法为——
1.项目->属性，打开项目的属性页。
2.点击左侧“生成”，切换到“生成”页。
3.将滚动条拉到最下面，点击“输出”中的“高级”，打开“高级生成设置”对话框。
4.在“常规”中有一个“检查运算上溢/下溢(K)”。
若配置了“检查运算上溢/下溢(K)”，当整数溢出时会抛出异常，打断程序流程。这对我们的位运算算法来说是不利的。怎么办呢？
应使用unchecked关键字来取消整数溢出检查。
unchecked关键字有两种用法，一种是作为区块，一种是作为函数。
在我们的测试函数中有大量的整数运算，使用unchecked区块更加方便。
1.3 类型检查更严格
C#的类型检查比C语言更加严格。所以得增加更多的强制类型转换，否则编译器会发出警告甚至报错。
例如这一行C语言代码——
pD[0] = (pS[0]<0) ? 0 : ( (pS[0]>255) ? 255 : (BYTE)pS[0] );
在C#中，得写成——
pD[0] = (pS[0] < 0) ? (byte)0 : ((pS[0] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[0]);
结合以上3点，将f0_if函数转为C#语法——
// 用if分支做饱和处理
static unsafe void f0_if(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
{
short* pS = pbufS;
byte* pD = pbufD;
int i;
for (i = 0; i < cnt; ++i)
{
// 分别对4个通道做饱和处理
pD[0] = (pS[0] < 0) ? (byte)0 : ((pS[0] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[0]);
pD[1] = (pS[1] < 0) ? (byte)0 : ((pS[1] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[1]);
pD[2] = (pS[2] < 0) ? (byte)0 : ((pS[2] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[2]);
pD[3] = (pS[3] < 0) ? (byte)0 : ((pS[3] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[3]);
// next
pS += 4;
pD += 4;
}
}
其他测试函数也可以这样处理。
1.4 C#中不支持宏
在C#中不支持宏，所以在移植f2_neg、f3_sar函数时，得手动实现代码。
虽然可以将LIMITSU_BYTE这些宏改写为函数，但函数调用开销会影响性能。于是增加了f2_negB、f3_sarB这两个测试函数来验证这一论断。
1.5 bool转整数
在C语言中，逻辑比较的结果是整型，这样有助于位运算算法。
但在C#，单独设计了bool类型，与整型隔离。甚至不允许强制转换，只能用Convert.ToInt16方法将bool转整数。
例如将f2_neg函数转为C#语法——
// 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码
static unsafe void f2_neg(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
{
unchecked
{
short* pS = pbufS;
byte* pD = pbufD;
int i;
for (i = 0; i < cnt; ++i)
{
// 分别对4个通道做饱和处理
pD[0] = (byte)(pS[0] & -Convert.ToInt16(pS[0] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[0] >= 256));
pD[1] = (byte)(pS[1] & -Convert.ToInt16(pS[1] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[1] >= 256));
pD[2] = (byte)(pS[2] & -Convert.ToInt16(pS[2] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[2] >= 256));
pD[3] = (byte)(pS[3] & -Convert.ToInt16(pS[3] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[3] >= 256));
// next
pS += 4;
pD += 4;
}
}
}
Convert.ToInt16会带来函数调用开销，影响性能。而且，貌似它内部是采用分支实现bool到整数的转换的，又带了跳转堵塞流水线的问题。
1.6 delegate——委托
虽然C#不支持函数指针，但可以使用委托。
C语言中，我们是这样定义测试函数的类型的——
typedef void (*TESTPROC)(BYTE* pbufD, const signed short* pbufS, int cnt);
在C#中改为委托——
unsafe delegate void TESTPROC(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt);
因含有指针参数，所以得加上unsafe关键字。而且必须处于unsafe区块才能使用该委托，例如——
// 进行测试
unsafe
{
runTest("f0_if", f0_if);
runTest("f1_min", f1_min);
runTest("f2_neg", f2_neg);
runTest("f2_negB", f2_negB);
runTest("f3_sar", f3_sar);
runTest("f3_sarB", f3_sarB);
}
1.7 fixed——绑定指针
在C#中，不能像C语言那样随时可以用&运算符获取地址。得使用fixed语句来绑定变量、获取指针。MSDN对它的说明——
http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/f58wzh21.aspx
fixed 语句禁止垃圾回收器重定位可移动的变量。 fixed 语句只在不安全的上下文中是允许的。 Fixed 还可用于创建固定大小缓冲区。
fixed 语句设置指向托管变量的指针，并在执行该语句期间“固定”此变量。 如果没有 fixed 语句，则指向可移动托管变量的指针的作用很小，因为垃圾回收可能不可预知地重定位变量。 C# 编译器只允许在 fixed 语句中分配指向托管变量的指针。
在这里，我们利用fixed语句来获得bufS、bufD这两个缓冲区的指针。注意它们类型不同，所以得嵌套使用fixed语句。
将f2_neg函数转为C#语法——
// 进行测试
static unsafe void runTest(string szname, TESTPROC proc)
{
int i, j;
Stopwatch stw = new Stopwatch(); // 执行时间
// 绑定指针
fixed (short* pbufS = &bufS[0])
{
fixed (byte* pbufD = &bufD[0])
{
// 开始测试
for (i = 1; i <= 3; ++i) // 多次测试
{
stw.Reset();
stw.Start();
// main
for (j = 1; j <= 4000; ++j) // 重复运算几次延长时间，避免计时精度问题
{
proc(pbufD, pbufS, DATASIZE);
}
// show
stw.Stop();
//_tprintf(_T("%s[%d]:\t%u\n"), szname, i, tm1);
Console.WriteLine("{0}[{1}]:\t{2}", szname, i, stw.ElapsedMilliseconds);
}
}
}
}
1.8 平台配置
在VS2010中，C#支持多种平台。本文将测试其中三种——Any、x86、x64。
点击菜单栏的 生成->配置管理器，打开“配置管理器”对话框。C#的默认平台是“x86”，新建平台“Any”、“x64”。
还要注意配置好输出路径，别发生冲突。
1.项目->属性，打开项目的属性页。
2.点击左侧“生成”，切换到“生成”页。
3.点击上侧的“配置”组合框，切换配置。
4.点击上侧的“平台”组合框，切换平台。
5.修改“输出”中的“输出路径”。
6.重复第3步至第5步，直到配置好所有平台和配置。
7.点击工具栏上的“保存”按钮。
建议将输出路径配置为——
Any：bin\Debug\，bin\Release\
x86：bin\x86\Debug\，bin\x86\Release\
x64：bin\x64\Debug\，bin\x64\Release\
请参考——
http://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms185328.aspx
如何：配置项目以面向目标平台
1.9 平台判断
虽然C#中提供了Environment.Is64BitProcess来判断WOW64。但是现在有3种平台，该方法不适合。 这时最好使用条件编译来做平台判断。
先在项目属性页中配置条件编译符号——
Any：（无）
x86：ISX86
x64：ISX64
然后在代码中使用条件编译语句——
#if (ISX86)
string sBitCode = "x86";
#elif (ISX64)
string sBitCode = "x64";
#else
string sBitCode = "any";
#endif
Console.Write("== noif:C#2010({0}) on {1}bit ==", sBitCode, nBitSys);
二、全部代码
全部代码——
using System;
//using System.Collections.Generic;
//using System.Linq;
//using System.Text;
using System.Diagnostics;
namespace noifCS2010
{
/// <summary>
/// 用位掩码代替分支：C#2010性能测试
/// </summary>
/// <remarks>Author: zyl910</remarks>
class CnoifCS2010
{
const int DATASIZE = 16384; // 128KB / (sizeof(signed short) * 4)
static short[] bufS = new short[DATASIZE * 4]; // 源缓冲区。64位的颜色（4通道，每通道16位）
static byte[] bufD = new byte[DATASIZE * 4]; // 目标缓冲区。32位的颜色（4通道，每通道8位）
unsafe delegate void TESTPROC(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt);
// 用if分支做饱和处理
static unsafe void f0_if(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
{
short* pS = pbufS;
byte* pD = pbufD;
int i;
for (i = 0; i < cnt; ++i)
{
// 分别对4个通道做饱和处理
pD[0] = (pS[0] < 0) ? (byte)0 : ((pS[0] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[0]);
pD[1] = (pS[1] < 0) ? (byte)0 : ((pS[1] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[1]);
pD[2] = (pS[2] < 0) ? (byte)0 : ((pS[2] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[2]);
pD[3] = (pS[3] < 0) ? (byte)0 : ((pS[3] > 255) ? (byte)255 : (byte)pS[3]);
// next
pS += 4;
pD += 4;
}
}
// 用min、max饱和处理
static unsafe void f1_min(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
{
short* pS = pbufS;
byte* pD = pbufD;
int i;
for (i = 0; i < cnt; ++i)
{
// 分别对4个通道做饱和处理
pD[0] = (byte)Math.Min(Math.Max((byte)0, pS[0]), (byte)255);
pD[1] = (byte)Math.Min(Math.Max((byte)0, pS[1]), (byte)255);
pD[2] = (byte)Math.Min(Math.Max((byte)0, pS[2]), (byte)255);
pD[3] = (byte)Math.Min(Math.Max((byte)0, pS[3]), (byte)255);
// next
pS += 4;
pD += 4;
}
}
// 用位掩码做饱和处理.用带符号右移生成掩码
static unsafe void f2_neg(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
{
unchecked
{
short* pS = pbufS;
byte* pD = pbufD;
int i;
for (i = 0; i < cnt; ++i)
{
// 分别对4个通道做饱和处理
pD[0] = (byte)(pS[0] & -Convert.ToInt16(pS[0] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[0] >= 256));
pD[1] = (byte)(pS[1] & -Convert.ToInt16(pS[1] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[1] >= 256));
pD[2] = (byte)(pS[2] & -Convert.ToInt16(pS[2] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[2] >= 256));
pD[3] = (byte)(pS[3] & -Convert.ToInt16(pS[3] >= 0) | -Convert.ToInt16(pS[3] >= 256));
// next
pS += 4;
pD += 4;
}
}
}
static byte LIMITSU_BYTE(short n)
{
unchecked
{
return (byte)(n & -Convert.ToInt16(n >= 0) | -Convert.ToInt16(n >= 256));
}
}
// 调用LIMITSU_BYTE函数
static unsafe void f2_negB(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
{
unchecked
{
short* pS = pbufS;
byte* pD = pbufD;
int i;
for (i = 0; i < cnt; ++i)
{
// 分别对4个通道做饱和处理
pD[0] = LIMITSU_BYTE(pS[0]);
pD[1] = LIMITSU_BYTE(pS[1]);
pD[2] = LIMITSU_BYTE(pS[2]);
pD[3] = LIMITSU_BYTE(pS[3]);
// next
pS += 4;
pD += 4;
}
}
}
// 用位掩码做饱和处理.用求负生成掩码
static unsafe void f3_sar(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
{
unchecked
{
short* pS = pbufS;
byte* pD = pbufD;
int i;
for (i = 0; i < cnt; ++i)
{
// 分别对4个通道做饱和处理
pD[0] = (byte)(((ushort)pS[0] | ((short)(255 - pS[0]) >> 15)) & ~(pS[0] >> 15));
pD[1] = (byte)(((ushort)pS[1] | ((short)(255 - pS[1]) >> 15)) & ~(pS[1] >> 15));
pD[2] = (byte)(((ushort)pS[2] | ((short)(255 - pS[2]) >> 15)) & ~(pS[2] >> 15));
pD[3] = (byte)(((ushort)pS[3] | ((short)(255 - pS[3]) >> 15)) & ~(pS[3] >> 15));
// next
pS += 4;
pD += 4;
}
}
}
static byte LIMITSW_BYTE(short n)
{
unchecked
{
return (byte)(((ushort)n | ((short)(255 - n) >> 15)) & ~(n >> 15));
}
}
// 调用LIMITSW_BYTE函数
static unsafe void f3_sarB(byte* pbufD, short* pbufS, int cnt)
{
unchecked
{
short* pS = pbufS;
byte* pD = pbufD;
int i;
for (i = 0; i < cnt; ++i)
{
// 分别对4个通道做饱和处理
pD[0] = LIMITSW_BYTE(pS[0]);
pD[1] = LIMITSW_BYTE(pS[1]);
pD[2] = LIMITSW_BYTE(pS[2]);
pD[3] = LIMITSW_BYTE(pS[3]);
// next
pS += 4;
pD += 4;
}
}
}
// 进行测试
static unsafe void runTest(string szname, TESTPROC proc)
{
int i, j;
Stopwatch stw = new Stopwatch(); // 执行时间
// 绑定指针
fixed (short* pbufS = &bufS[0])
{
fixed (byte* pbufD = &bufD[0])
{
// 开始测试
for (i = 1; i <= 3; ++i) // 多次测试
{
stw.Reset();
stw.Start();
// main
for (j = 1; j <= 4000; ++j) // 重复运算几次延长时间，避免计时精度问题
{
proc(pbufD, pbufS, DATASIZE);
}
// show
stw.Stop();
//_tprintf(_T("%s[%d]:\t%u\n"), szname, i, tm1);
Console.WriteLine("{0}[{1}]:\t{2}", szname, i, stw.ElapsedMilliseconds);
}
}
}
}
static void Main(string[] args)
{
int i; // 循环变量
//Console.WriteLine("Hello the world!");
int nBitSys = (Environment.Is64BitOperatingSystem) ? 64 : 32;
//int nBitCode = (Environment.Is64BitProcess) ? 64 : 32;
//Console.Write("== noif:C#2010({0}) on {1}bit ==", nBitCode, nBitSys);
#if (ISX86)
string sBitCode = "x86";
#elif (ISX64)
string sBitCode = "x64";
#else
string sBitCode = "any";
#endif
Console.Write("== noif:C#2010({0}) on {1}bit ==", sBitCode, nBitSys);
// 初始化
Random rnd = new Random();
for (i = 0; i < DATASIZE*4; ++i)
{
bufS[i] = (short)((rnd.Next() & 0x1FF) - 128); // 使数值在 [-128, 383] 区间
}
// 准备开始。可以将将进程优先级设为实时
if (args.Length <= 0)
{
Console.Write("<Press any key to continue>");
Console.ReadKey(true);
}
Console.WriteLine();
// 进行测试
unsafe
{
runTest("f0_if", f0_if);
runTest("f1_min", f1_min);
runTest("f2_neg", f2_neg);
runTest("f2_negB", f2_negB);
runTest("f3_sar", f3_sar);
runTest("f3_sarB", f3_sarB);
}
// 结束前提示
if (args.Length <= 0)
{
Console.Write("<Press any key to exit>");
Console.ReadKey(true);
}
Console.WriteLine();
}
}
}
三、编译与测试
点击菜单栏的 生成->批生成。生成Release版。
生成完毕后，将会有以下三个可执行文件——
bin\Release\noifCS2010.exe
bin\x86\Release\noifCS2010.exe
bin\x64\Release\noifCS2010.exe
在32位winXP上的测试结果——
== noif:C#2010(any) on 32bit ==<Press any key to continue>
f0_if[1]: 1935
f0_if[2]: 1922
f0_if[3]: 1921
f1_min[1]: 2139
f1_min[2]: 2144
f1_min[3]: 2147
f2_neg[1]: 2472
f2_neg[2]: 2471
f2_neg[3]: 2458
f2_negB[1]: 2641
f2_negB[2]: 2660
f2_negB[3]: 2640
f3_sar[1]: 562
f3_sar[2]: 559
f3_sar[3]: 557
f3_sarB[1]: 813
f3_sarB[2]: 823
f3_sarB[3]: 822
== noif:C#2010(x86) on 32bit ==<Press any key to continue>
f0_if[1]: 1930
f0_if[2]: 1931
f0_if[3]: 1904
f1_min[1]: 2153
f1_min[2]: 2142
f1_min[3]: 2142
f2_neg[1]: 2437
f2_neg[2]: 2464
f2_neg[3]: 2462
f2_negB[1]: 2641
f2_negB[2]: 2637
f2_negB[3]: 2642
f3_sar[1]: 556
f3_sar[2]: 545
f3_sar[3]: 545
f3_sarB[1]: 822
f3_sarB[2]: 812
f3_sarB[3]: 823
在64位win7上的测试结果——
== noif:C#2010(any) on 64bit ==<Press any key to continue>
f0_if[1]: 1902
f0_if[2]: 1871
f0_if[3]: 1871
f1_min[1]: 1919
f1_min[2]: 1918
f1_min[3]: 1916
f2_neg[1]: 2409
f2_neg[2]: 2406
f2_neg[3]: 2405
f2_negB[1]: 2956
f2_negB[2]: 2954
f2_negB[3]: 2954
f3_sar[1]: 652
f3_sar[2]: 651
f3_sar[3]: 650
f3_sarB[1]: 1032
f3_sarB[2]: 1031
f3_sarB[3]: 1031
== noif:C#2010(x86) on 64bit ==<Press any key to continue>
f0_if[1]: 1857
f0_if[2]: 1829
f0_if[3]: 1829
f1_min[1]: 2073
f1_min[2]: 2071
f1_min[3]: 2076
f2_neg[1]: 2340
f2_neg[2]: 2342
f2_neg[3]: 2340
f2_negB[1]: 2540
f2_negB[2]: 2541
f2_negB[3]: 2540
f3_sar[1]: 516
f3_sar[2]: 516
f3_sar[3]: 515
f3_sarB[1]: 766
f3_sarB[2]: 765
f3_sarB[3]: 766
== noif:C#2010(x64) on 64bit ==<Press any key to continue>
f0_if[1]: 1883
f0_if[2]: 1865
f0_if[3]: 1864
f1_min[1]: 1913
f1_min[2]: 1911
f1_min[3]: 1911
f2_neg[1]: 2399
f2_neg[2]: 2396
f2_neg[3]: 2400
f2_negB[1]: 2949
f2_negB[2]: 2949
f2_negB[3]: 2949
f3_sar[1]: 652
f3_sar[2]: 651
f3_sar[3]: 651
f3_sarB[1]: 1031
f3_sarB[2]: 1030
f3_sarB[3]: 1030
硬件环境——
CPU：Intel Core i3-2310M, 2100 MHz
内存：DDR3-1066
源码下载——
https://files.cnblogs.com/zyl910/noifCS2010.rar
（建议阅读编译器生成的汇编代码。提示：使用ILSPY）
