0.033秒的艺术 --- for vs. foreach

0.033秒的艺术 --- for vs. foreach

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        一直以来，关于C#中for和foreach孰优孰劣的争论似乎从来就没有停止过，各种谣言和真相混杂在一起，以至于这似乎变成了一个很复杂的问题。For的fans认为，foreach内部会分配enumerator，产生垃圾，影响性能；而foreach的支持者则认为编译器会对foreach进行特别的优化，而且也更安全（Efective C#里就是这么写的）。那么到底是不是这样呢？

        实际上，关于foreach会分配enumerator是一个最大的谣言！Cornflower Blue通过实验得出的结论是：
1. Collection<T>会分配enumerator
2. System.Collections.Generic空间下的大部分类型则不会分配enumerator，比如list,queues,linked lists等等
3. 如果把2中的类型转换为接口使用foreach，则会分配enumerator，比如 foreach item in (IEnumerable)List

        如果你对此有所怀疑，可以用CLRProfiler做个简单测试看看，foreach并没有我们想象的那么坏.
        除了内存占用的谣言之外，性能又如何呢？哪个比较快。让我们开始测试吧。当然，首先应该清楚不同类型来说，for和foreach的性能自然也不同。为了方便讨论，下文仅使用用array和list进行比较，测试框架如下：

static void Main(String[] args) 
{ 
     
    int maxCount = 10000; 
    List<int> list = new List< int >(maxCount); 
    int[] arr = new int[maxCount]; 
    for (int i = 0; i < maxCount; i++) 
    { 
        arr[i] = i; 
        list.Add(i); 
    } 
    int result = 0; 
    Stopwatch timer = new Stopwatch(); 

    GC.Collect(); 
    GC.WaitForPendingFinalizers(); 
    GC.Collect(); 
    GC.WaitForPendingFinalizers(); 
     
    timer.Start(); 
    for (int j = 0; j < 1000; j++) 
    { 
        //run test case here 
    } 
    timer.Stop(); 
    Console.WriteLine(timer.ElapsedMilliseconds); 
}

 

首先来比较基于数组的性能：

test case 1：
for(int i = 0;i<arr.lenght;i++)
    result = arr[i];

test case 2:
foreach (int i in arr)
    result = i;

    测试结果，两者几乎相同，for的版本稍稍比foreach快一点点。Foreach的死党看到这里也许会有些不服气，认为这是测试误差的结果，不过接下来就来分析一下为什么会出现这样的结果，用ildasm反编译代码可以看到对于for的版本产生了如下IL代码：

1. IL_005c:  ldc.i4.0      
2. IL_005d:  stloc.s    V_7           //初始化循环变量
3. IL_005f:  br.s       IL_006d      //分支跳转
4. IL_0061:  ldloc.2                     //把数组压入evaluation stack
5. IL_0062:  ldloc.s    V_7           //当前索引
6. IL_0064:  ldelem.i4                 //取得当前元素
7. IL_0065:  stloc.s    result        //放入result
8. IL_0067:  ldloc.s    V_7
9. IL_0069:  ldc.i4.1
10. IL_006a:  add                         //更新索引
11. IL_006b:  stloc.s    V_7
12. IL_006d:  ldloc.s    V_7
13. IL_006f:  ldloc.2
14. IL_0070:  ldlen                       //把数组元素个数压入evaluation stack
15. IL_0071:  conv.i4
16. IL_0072:  blt.s      IL_0061    //测试循环是否继续

foreach版本：

1. IL_005f:  ldc.i4.0
2. L_0060:  stloc.s    CS$7$0001
3. L_0062:  br.s       IL_0075
4. L_0064:  ldloc.s    CS$6$0000
5. L_0066:  ldloc.s    CS$7$0001
6. L_0068:  ldelem.i4
7. L_0069:  stloc.s    V_7
8. L_006b:  ldloc.s    V_7
9. L_006d:  stloc.s    result
10. L_006f:  ldloc.s    CS$7$0001
11. L_0071:  ldc.i4.1
12. L_0072:  add
13. L_0073:  stloc.s    CS$7$0001
14. L_0075:  ldloc.s    CS$7$0001
15. L_0077:  ldloc.s    CS$6$0000
16. L_0079:  ldlen
17. L_007a:  conv.i4
18. L_007b:  blt.s      IL_0064

          可以看到，两者的代码是非常相似的，又一个谣言不攻自破了，编译器并没有为foreach做特别的优化，foreach的版本反而比for多用了2条指令，一共18条指令。也正是这2条指令让foreach比for稍稍慢了一点。对于foreach这两条而外的指令我是觉得很奇怪的，代码先把从数组中取出的值复制到了临时变量V_7，然后再赋给了result，for则没有这个步骤。一开始我还以为是.net 2.0优化的不够好，换成3.5 sp1之后，还是相同的代码。我不是编译器也不是IL的专家，实在不明白为什么要这样做。需要注意，对于复杂的值类型，比如matrix，那么这两条额外的指令还会让情况变的更糟，因为值类型总是按值传递，每次对Matrix赋值，至少要对16个int进行操作。实际测试中，把int改为Matrix之后，foreach比for慢了3倍，这样的结果应该是出乎很多人意料的吧！当然，对于引用类型则没有这个问题。
 接下来，我们对List进行测试：
test case 3：
for(int i = 0;i<list.count;i++)
    result = list [i];

test case 4:
foreach (int i in list)
    result = i;

       与简单的数组相比，foreach为List生成的代码相当不同，甚至可以看到try和catch这样的高级指令：

1. .try
2. {
3.   IL_0064:  br.s       IL_0073
4.   IL_0066:  ldloca.s   CS$5$0000
5.   IL_0068:  call       instance !0 valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<int32>::get_Current()
6.   IL_006d:  stloc.s    V_7
7.   IL_006f:  ldloc.s    V_7
8.   IL_0071:  stloc.s    result
9.   IL_0073:  ldloca.s   CS$5$0000
10.   IL_0075:  call       instance bool valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<int32>::MoveNext()
11.   IL_007a:  brtrue.s   IL_0066
12.   IL_007c:  leave.s    IL_008c
13. }  // end .try
14. finally
15. {
16.   IL_007e:  ldloca.s   CS$5$0000
17.   IL_0080:  constrained. valuetype [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1/Enumerator<int32>
18.   IL_0086:  callvirt   instance void [mscorlib]System.IDisposable::Dispose()
19.   IL_008b:  endfinally
20. }  // end handler

        对list来说，foreach是通过Enumerator而不是基于简单的索引进行迭代。好了，你可能会说一开始不是说过List不会分配Enumerator吗？确实，这里虽然用到了Enumerator，但是并没有分配内存创建Enumerator。如果说ms对foreach进行了优化，那么应该就是值的这里吧，注意，这里仍然把结果进行了一次额外赋值。
       for版本：

1. IL_005c:  ldc.i4.0
2. IL_005d:  stloc.s    V_7
3. IL_005f:  br.s       IL_0071
4. IL_0061:  ldloc.1
5. IL_0062:  ldloc.s    V_7
6. IL_0064:  callvirt   instance !0 class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<int32>::get_Item(int32)
7. IL_0069:  stloc.s    result
8. IL_006b:  ldloc.s    V_7
9. IL_006d:  ldc.i4.1
10. IL_006e:  add
11. IL_006f:  stloc.s    V_7
12. IL_0071:  ldloc.s    V_7
13. IL_0073:  ldloc.1
14. IL_0074:  callvirt   instance int32 class [mscorlib]System.Collections.Generic.List`1<int32>::get_Count()
15. IL_0079:  blt.s      IL_0061

         List的for版本则和array差不多。从代码IL就能看出，for版本显然要比foreach简单很多，当然foreach有更好的安全性。实际测试中，for大约比foreach快2倍。此外，注意到for版本的IL代码在每次迭代时都调用了一个GetCount()获取list的实际长度。与array.length不同，list.count对应着一个虚方法，所以在循环初始化时并不会被内联。如果你认为这样是多余的，那么可以把test 3改为：

         当然，这也增加了你程序出错的可能性。
test case 5：
int count = list.count;
for(int i = 0;i<count;i++)
    result = list [i];

         最后，最终的测试结果还显示，对于for来说，基于数组的循环要比list快5倍左右:)