0.033秒的艺术 ---- XNA数学库中的陷阱

0.033秒的艺术 ---- XNA数学库中的陷阱

仅供个人学习使用，请勿转载，勿用于任何商业用途。 

       上一次介绍了如何察看.net程序的asm代码，并且分析了System.Math下的部分函数。这一次，我们将更近一步，分析如何高效使用XNA中的数学的库。下文仅以Matrix和Vector3为例，其余类型均可依此类推。为了达到测试和演示的目的，我写了一段相当”白痴”的代码：

test 1:

AABB box = new AABB(new Vector3(34.4f, 4, 23));
Vector3 seed = box.Center;

public class AABB
{
    private Vector3 center;
    public Vector3 Center
    {
        get { return center; }
        set { center = value; }
    }

     public AABB(Vector3 center)
     {
        this.center = center;
     }
}

       Test 1的目的很简单，只是为了检查JIT是否会inline类似vector3这样的简单属性。非常不幸，答案是否定的。

test 2:

public static Vector3 Foo(Vector3 v, float radius)
{
    Matrix a;
    Matrix.CreateTranslation(ref v, out a);

    Matrix b = Matrix.CreateTranslation(v);

    Matrix.Multiply(ref a, ref b, out a);

    Vector3 f1 = b.Forward;

    Vector3 f2;
    f2.X = b.M31;
    f2.Y = b.M32;
    f2.Z = b.M33;

    Vector3 f3;
    Vector3.Add(ref f1, ref f2, out f3);
    Vector3.Transform(ref f3, ref a, out f1);
    return f1;
}

 Test 2才是本文的重点，为了方便讨论，把Test2的代码分为几段：

section 1：

 public static Vector3 Foo(Vector3 v, float radius)
        {
            Matrix a;
            Matrix.CreateTranslation(ref v, out a);
00000000  push        ebp  
00000001  mov         ebp,esp 
00000003  push        edi  
00000004  push        esi  
00000005  sub         esp,0F4h 
0000000b  mov         esi,ecx 
0000000d  lea         edi,[ebp+FFFFFF54h] 
00000013  mov         ecx,29h  //29h = 41
00000018  xor         eax,eax  //eax = 0 
0000001a  rep stos    dword ptr es:[edi]  // for(i<41){new float = 0}
0000001c  mov         ecx,esi 
0000001e  mov         dword ptr [ebp+FFFFFF04h],ecx 
00000024  cmp         dword ptr ds:[03A97E8Ch],0 
0000002b  je          00000032 
0000002d  call        76CFD6C9    //throw exception here???
00000032  lea         ecx,[ebp+0Ch]  //pass arg
00000035  lea         edx,[ebp-48h]  //pass arg
00000038  call        dword ptr ds:[00F46FB8h]   //call CreateTranslation

     这一部分的代码一开始让我迷惑了很久，因为实际与调用CreateTranslation相关的指令只有032－038三条，前面那堆代码是干什么的呢，难道是编译器出错了？原以为有了asm就不用看IL了，可惜直到我重现查看了IL，才恍然大悟：怎么把函数初始化局部堆栈的部份忘了呢。Foo中将用到5个临时变量：2个Matrix，3个Vector3。最有趣的是。CIL没有初始化5个不同的struct，而是初始化了41个独立的float值！018～01a完成了初始化的工作，把41个float初始化为0。至于000～00d的部份，并不是太重要，可以忽略它们。奇怪的是01c～024的部份，我始终没看明白这段代码的目的，猜测应该是在做安全性检查，比如是否有stackover flow，如果有则跳转到位于76CFD6C9C处的函数。

         结论是：函数中临时变量的个数会影响函数效率，01a表示重复41次以初始化所有变量。

section 2:

            Matrix b = Matrix.CreateTranslation(v);
0000003e  lea         eax,[ebp+0Ch] 
00000041  push        dword ptr [eax+8] 
00000044  sub         esp,8 
00000047  movq        xmm0,mmword ptr [eax] 
0000004b  movq        mmword ptr [esp],xmm0 
00000050  lea         ecx,[ebp+FFFFFF14h] 
00000056  call        dword ptr ds:[00F46FACh] 
0000005c  lea         edi,[ebp+FFFFFF78h]  //address of b 
00000062  lea         esi,[ebp+FFFFFF14h]  //address of returen value 
00000068  mov         ecx,10h  //10h = 16
0000006d  rep movs    dword ptr es:[edi],dword ptr [esi]//copy return value to b

      显然，同样的CreateTranslation，这里要比前面复杂很多。我不是汇编专家，所以041～050究竟干了什么，我一头雾水（希望有高人指点）。至于05c～06d的部份，则是CreateTranslation把返回值复制给b，注意，这里进行了16个float值的复制。然而并不十分明显的是这次所调用的CreateTranslation的地址和上一次完全不同。如果你有兴趣查看CreateTranslation(Vector3)的asm，会发现它比CreateTranslation(ref Vector3, out Matrix)多做了2件事：1，创建16个float大小的局部堆栈；2，在计算完成时，把局部堆栈的值复制到了一块临时内存，同样是16次mov。

      结论是：非ref版本的函数比ref版本多执行了48条指令！对于value type来说，仅仅是传递方式，就会带来巨大性能差异。

section 3:

            Matrix.Multiply(ref a, ref b, out a);
0000006f  lea         eax,[ebp-48h] 
00000072  push        eax  
00000073  lea         ecx,[ebp-48h] 
00000076  lea         edx,[ebp+FFFFFF78h] 
0000007c  call        dword ptr ds:[00F472A8h] 

这里再次验证了之前的结论，对于ref版本的函数来说，只需直接传递参数地址，调用函数。

section 4:

part 1:
            Vector3 f1 = b.Forward;
00000082  lea         ecx,[ebp+FFFFFF78h] 
00000088  lea         edx,[ebp+FFFFFF08h] 
0000008e  call        dword ptr ds:[00F46F28h] 
00000094  lea         edi,[ebp+FFFFFF6Ch] 
0000009a  lea         esi,[ebp+FFFFFF08h] 
000000a0  movq        xmm0,mmword ptr [esi] 
000000a4  movq        mmword ptr [edi],xmm0 
000000a8  add         esi,8 
000000ab  add         edi,8 
000000ae  movs        dword ptr es:[edi],dword ptr [esi] 

part 2:
            Vector3 f2;
            f2.X = b.M31;
000000af  fld         dword ptr [ebp-68h] 
000000b2  fstp        dword ptr [ebp+FFFFFF60h] 
            f2.Y = b.M32;
000000b8  fld         dword ptr [ebp-64h] 
000000bb  fstp        dword ptr [ebp+FFFFFF64h] 
            f2.Z = b.M33;
000000c1  fld         dword ptr [ebp-60h] 
000000c4  fstp        dword ptr [ebp+FFFFFF68h] 

     这里的两小段代码完成了同一件事。第一个版本使用了直接使用了Matrix的属性，第二个版本则手动访问基本元素。Forward同样没有内联，不过Forward与Test1所讨论的Center属性还不太一样，Center相对要简单许多——直接返回一个存在的值，而Forward则需要重新”组合”一个值返回，所以没有inline勉强可以接受。让人惊讶的是访问这样一个属性居然用了10条指令，如果再算上08e处所调用的函数，那么这个数字还要加上14，一共28条！而我们手动内联的代码只用了6条指令，big win。

      结论是：合理应用手动内联提高性能。

section 5:这部份则没有太多的意义，只是为了让之前的代码不被编译器优化而存在，略

     最后，我想各位对如何正确使用XNA中的数学库，以及进行优化有大概了解了吧。多研究asm代码，你一定会有更多发现:)