关于C#：三元运算符的速度是if-else块的两倍？


Ternary operator is twice as slow as an if-else block?

我到处都看到三元运算符应该比它的等效if到else块更快，或者至少和它的等效if到else块相同。

但是，我做了以下测试，发现情况并非如此：

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Random r = new Random();
int[] array = new int[20000000];
for(int i = 0; i < array.Length; i++)
{
    array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
}
Array.Sort(array);

long value = 0;
DateTime begin = DateTime.UtcNow;

foreach (int i in array)
{
    if (i > 0)
    {
        value += 2;
    }
    else
    {
        value += 3;
    }
    // if-else block above takes on average 85 ms

    // OR I can use a ternary operator:
    // value += i > 0 ? 2 : 3; // takes 157 ms
}
DateTime end = DateTime.UtcNow;
MessageBox.Show("Measured time:" + (end-begin).TotalMilliseconds +" ms.

Result =" + value.ToString());

我的电脑用了85毫秒运行上面的代码。但是如果我注释掉if到else块，取消对三元运算符行的注释，大约需要157ms。

为什么会这样？

相关讨论

为了回答这个问题，我们将针对每种情况检查由x86和X64 JIT生成的程序集代码。

x86，如果/那么

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    32:                 foreach (int i in array)
0000007c 33 D2                xor         edx,edx
0000007e 83 7E 04 00          cmp         dword ptr [esi+4],0
00000082 7E 1C                jle         000000A0
00000084 8B 44 96 08          mov         eax,dword ptr [esi+edx*4+8]
    33:                 {
    34:                     if (i > 0)
00000088 85 C0                test        eax,eax
0000008a 7E 08                jle         00000094
    35:                     {
    36:                         value += 2;
0000008c 83 C3 02             add         ebx,2
0000008f 83 D7 00             adc         edi,0
00000092 EB 06                jmp         0000009A
    37:                     }
    38:                     else
    39:                     {
    40:                         value += 3;
00000094 83 C3 03             add         ebx,3
00000097 83 D7 00             adc         edi,0
0000009a 42                   inc         edx
    32:                 foreach (int i in array)
0000009b 39 56 04             cmp         dword ptr [esi+4],edx
0000009e 7F E4                jg          00000084
    30:             for (int x = 0; x < iterations; x++)
000000a0 41                   inc         ecx
000000a1 3B 4D F0             cmp         ecx,dword ptr [ebp-10h]
000000a4 7C D6                jl          0000007C

x86，三进制

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    59:                 foreach (int i in array)
00000075 33 F6                xor         esi,esi
00000077 83 7F 04 00          cmp         dword ptr [edi+4],0
0000007b 7E 2D                jle         000000AA
0000007d 8B 44 B7 08          mov         eax,dword ptr [edi+esi*4+8]
    60:                 {
    61:                     value += i > 0 ? 2 : 3;
00000081 85 C0                test        eax,eax
00000083 7F 07                jg          0000008C
00000085 BA 03 00 00 00       mov         edx,3
0000008a EB 05                jmp         00000091
0000008c BA 02 00 00 00       mov         edx,2
00000091 8B C3                mov         eax,ebx
00000093 8B 4D EC             mov         ecx,dword ptr [ebp-14h]
00000096 8B DA                mov         ebx,edx
00000098 C1 FB 1F             sar         ebx,1Fh
0000009b 03 C2                add         eax,edx
0000009d 13 CB                adc         ecx,ebx
0000009f 89 4D EC             mov         dword ptr [ebp-14h],ecx
000000a2 8B D8                mov         ebx,eax
000000a4 46                   inc         esi
    59:                 foreach (int i in array)
000000a5 39 77 04             cmp         dword ptr [edi+4],esi
000000a8 7F D3                jg          0000007D
    57:             for (int x = 0; x < iterations; x++)
000000aa FF 45 E4             inc         dword ptr [ebp-1Ch]
000000ad 8B 45 E4             mov         eax,dword ptr [ebp-1Ch]
000000b0 3B 45 F0             cmp         eax,dword ptr [ebp-10h]
000000b3 7C C0                jl          00000075

x64，如果/那么

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    32:                 foreach (int i in array)
00000059 4C 8B 4F 08          mov         r9,qword ptr [rdi+8]
0000005d 0F 1F 00             nop         dword ptr [rax]
00000060 45 85 C9             test        r9d,r9d
00000063 7E 2B                jle         0000000000000090
00000065 33 D2                xor         edx,edx
00000067 45 33 C0             xor         r8d,r8d
0000006a 4C 8B 57 08          mov         r10,qword ptr [rdi+8]
0000006e 66 90                xchg        ax,ax
00000070 42 8B 44 07 10       mov         eax,dword ptr [rdi+r8+10h]
    33:                 {
    34:                     if (i > 0)
00000075 85 C0                test        eax,eax
00000077 7E 07                jle         0000000000000080
    35:                     {
    36:                         value += 2;
00000079 48 83 C5 02          add         rbp,2
0000007d EB 05                jmp         0000000000000084
0000007f 90                   nop
    37:                     }
    38:                     else
    39:                     {
    40:                         value += 3;
00000080 48 83 C5 03          add         rbp,3
00000084 FF C2                inc         edx
00000086 49 83 C0 04          add         r8,4
    32:                 foreach (int i in array)
0000008a 41 3B D2             cmp         edx,r10d
0000008d 7C E1                jl          0000000000000070
0000008f 90                   nop
    30:             for (int x = 0; x < iterations; x++)
00000090 FF C1                inc         ecx
00000092 41 3B CC             cmp         ecx,r12d
00000095 7C C9                jl          0000000000000060

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    59:                 foreach (int i in array)
00000044 4C 8B 4F 08          mov         r9,qword ptr [rdi+8]
00000048 45 85 C9             test        r9d,r9d
0000004b 7E 2F                jle         000000000000007C
0000004d 45 33 C0             xor         r8d,r8d
00000050 33 D2                xor         edx,edx
00000052 4C 8B 57 08          mov         r10,qword ptr [rdi+8]
00000056 8B 44 17 10          mov         eax,dword ptr [rdi+rdx+10h]
    60:                 {
    61:                     value += i > 0 ? 2 : 3;
0000005a 85 C0                test        eax,eax
0000005c 7F 07                jg          0000000000000065
0000005e B8 03 00 00 00       mov         eax,3
00000063 EB 05                jmp         000000000000006A
00000065 B8 02 00 00 00       mov         eax,2
0000006a 48 63 C0             movsxd      rax,eax
0000006d 4C 03 E0             add         r12,rax
00000070 41 FF C0             inc         r8d
00000073 48 83 C2 04          add         rdx,4
    59:                 foreach (int i in array)
00000077 45 3B C2             cmp         r8d,r10d
0000007a 7C DA                jl          0000000000000056
    57:             for (int x = 0; x < iterations; x++)
0000007c FF C1                inc         ecx
0000007e 3B CD                cmp         ecx,ebp
00000080 7C C6                jl          0000000000000048

第一：为什么x86代码比x64慢得多？

这是由于代码的以下特性造成的：

  • X64有几个额外的寄存器可用，每个寄存器都是64位。这允许X64 JIT完全使用寄存器执行内部循环，而不是从数组加载i，而X86 JIT在循环中放置多个堆栈操作(内存访问)。
  • value是一个64位整数，它要求x86上有2条机器指令(add，后面跟adc，但X64上只有1条(add)。

    • 第二：为什么三元运算符在x86和X64上都慢一些？

    这是由于操作顺序上的细微差异影响了JIT的优化器。为了使三元运算符jit，而不是在add机器指令本身中直接对2和3进行编码，jit创建一个中间变量(在寄存器中)来保存结果。然后将该寄存器的符号从32位扩展到64位，然后再将其添加到value中。由于所有这些都是在X64的寄存器中执行的，尽管三元运算符的复杂度显著增加，但净影响也有所减小。

    另一方面，X86 JIT受到更大的影响，因为在内部循环中添加新的中间值会导致它"溢出"另一个值，从而在内部循环中产生至少2个额外的内存访问(请参见X86三元代码中对[ebp-14h]的访问)。

    相关讨论

    编辑：所有更改…见下文。

    我无法在x64 clr上复制您的结果，但在x86上可以。在X64上，我可以看到条件运算符和if/else之间的细微差别(小于10%)，但比您看到的要小得多。

    我做了以下潜在的改变：

    • 在控制台应用程序中运行
    • 使用/o+ /debug-生成，并在调试器外部运行
    • 运行这两段代码一次以使其JIT，然后多次以获得更高的准确性
    • 使用Stopwatch。

    使用/platform:x64的结果(不使用"忽略"行)：

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    if/else with 1 iterations: 17ms
    conditional with 1 iterations: 19ms
    if/else with 1000 iterations: 17875ms
    conditional with 1000 iterations: 19089ms

    使用/platform:x86的结果(不使用"忽略"行)：

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    3
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    if/else with 1 iterations: 18ms
    conditional with 1 iterations: 49ms
    if/else with 1000 iterations: 17901ms
    conditional with 1000 iterations: 47710ms

    我的系统详细信息：

    所以和以前不同的是，我认为你看到了一个真正的区别——这一切都与x86 JIT有关。我不想说到底是什么导致了这一差异——如果我想进入cordbg:，我可能会在以后更新文章中的更多细节。

    有趣的是，如果不首先对数组进行排序，我最终会进行大约4.5倍长的测试，至少在x64上。我想这与分支预测有关。

    代码：

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    using System;
    using System.Diagnostics;

    class Test
    {
        static void Main()
        {
            Random r = new Random(0);
            int[] array = new int[20000000];
            for(int i = 0; i < array.Length; i++)
            {
                array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
            }
            Array.Sort(array);
            // JIT everything...
            RunIfElse(array, 1);
            RunConditional(array, 1);
            // Now really time it
            RunIfElse(array, 1000);
            RunConditional(array, 1000);
        }

        static void RunIfElse(int[] array, int iterations)
        {        
            long value = 0;
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();

            for (int x = 0; x < iterations; x++)
            {
                foreach (int i in array)
                {
                    if (i > 0)
                    {
                        value += 2;
                    }
                    else
                    {
                        value += 3;
                    }
                }
            }
            sw.Stop();
            Console.WriteLine("if/else with {0} iterations: {1}ms",
                              iterations,
                              sw.ElapsedMilliseconds);
            // Just to avoid optimizing everything away
            Console.WriteLine("Value (ignore): {0}", value);
        }

        static void RunConditional(int[] array, int iterations)
        {        
            long value = 0;
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();

            for (int x = 0; x < iterations; x++)
            {
                foreach (int i in array)
                {
                    value += i > 0 ? 2 : 3;
                }
            }
            sw.Stop();
            Console.WriteLine("conditional with {0} iterations: {1}ms",
                              iterations,
                              sw.ElapsedMilliseconds);
            // Just to avoid optimizing everything away
            Console.WriteLine("Value (ignore): {0}", value);
        }
    }
    相关讨论

    这一区别与if/else与三元之间的关系并不大。

    看看抖动的拆卸(我不会在这里重新安装，请看@280z28的答案)，结果发现你在比较苹果和桔子。在一种情况下，您创建两个具有常量值的不同+=操作，您选择哪个操作取决于条件，而在另一种情况下，您创建一个+=，其中要添加的值取决于条件。

    如果您想真正比较if/else与三元，这将是一个更公平的比较(现在两者都将"缓慢"，或者我们甚至可以说三元更快)：

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    int diff;
    if (i > 0)
        diff = 2;
    else
        diff = 3;
    value += diff;

    VS

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    value += i > 0 ? 2 : 3;

    现在，对if/else的拆卸如下所示。注意，这比三元情况更糟，因为它也停止使用循环变量(i的寄存器。

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                    if (i > 0)
    0000009d  cmp         dword ptr [ebp-20h],0
    000000a1  jle         000000AD
                    {
                        diff = 2;
    000000a3  mov         dword ptr [ebp-24h],2
    000000aa  nop
    000000ab  jmp         000000B4
                    }
                    else
                    {
                        diff = 3;
    000000ad  mov         dword ptr [ebp-24h],3
                    }
                    value += diff;
    000000b4  mov         eax,dword ptr [ebp-18h]
    000000b7  mov         edx,dword ptr [ebp-14h]
    000000ba  mov         ecx,dword ptr [ebp-24h]
    000000bd  mov         ebx,ecx
    000000bf  sar         ebx,1Fh
    000000c2  add         eax,ecx
    000000c4  adc         edx,ebx
    000000c6  mov         dword ptr [ebp-18h],eax
    000000c9  mov         dword ptr [ebp-14h],edx
    000000cc  inc         dword ptr [ebp-28h]
    相关讨论

    编辑：

    添加了一个可以使用if-else语句而不是条件运算符的示例。

    在回答之前，请看一下[哪个更快？]在利珀特先生的博客上。我觉得厄斯先生？NMEZ的答案是最正确的。

    我想提一些我们应该记住的高级编程语言。

    首先，我从来没有听说过条件运算符应该比C中的if-else语句更快或性能相同。.

    原因很简单，如果没有if else语句的操作会怎么样：

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    if (i > 0)
    {
        value += 2;
    }
    else
    {
    }

    条件运算符的要求是两边都必须有一个值，并且在C中？它还要求:的两侧具有相同的类型。这使得它与if-else语句有所不同。因此，您的问题变成了一个问题，询问如何生成机器代码的指令，从而使性能差异。

    对于条件运算符，语义上是：

    无论表达式如何计算，都有一个值。

    但如果有其他条件：

    如果表达式的计算结果为true，则执行某项操作；否则，则执行另一项操作。

    值不一定与if else语句有关。您的假设只有通过优化才能实现。

    另一个演示它们之间差异的示例如下：

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    var array1=new[] { 1, 2, 3 };
    var array2=new[] { 5, 6, 7 };

    if(i>0)
        array1[1]=4;
    else
        array2[2]=4;

    但是，上面的代码会编译，将if else语句替换为条件运算符刚刚无法编译：

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    var array1=new[] { 1, 2, 3 };
    var array2=new[] { 5, 6, 7 };
    (i>0?array1[1]:array2[2])=4; // incorrect usage

    条件运算符和if-else语句在概念上是相同的，当您执行相同的操作时，使用C中的条件运算符可能更快，因为C更接近平台的组装。

    对于您提供的原始代码，在foreach循环中使用条件运算符，这会使事情变得混乱，从而看到它们之间的区别。因此，我建议采用以下代码：

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    public static class TestClass {
        public static void TestConditionalOperator(int i) {
            long value=0;
            value+=i>0?2:3;
        }

        public static void TestIfElse(int i) {
            long value=0;

            if(i>0) {
                value+=2;
            }
            else {
                value+=3;
            }
        }

        public static void TestMethod() {
            TestConditionalOperator(0);
            TestIfElse(0);
        }
    }

    下面是优化的和非优化的IL的两个版本。因为它们很长，所以我用图片来显示，右手边是优化的：

    (Click to see full-size image.)
    hSN6s.png

    在这两个版本的代码中，条件运算符的IL看起来比if else语句要短，并且对最终生成的机器代码仍有疑问。以下是两种方法的说明，前者是非优化的，后者是优化的：

    • 非优化指令：(单击可查看全尺寸图像。)ybhgM.png

    • 优化说明：(单击可查看全尺寸图像。)6kgzJ.png

    在后者中，黄色块是仅在i<=0时执行的代码，而蓝色块是在i>0时执行的代码。在指令的任何一个版本中，if else语句都较短。

    注意，对于不同的指令，[cpi]不一定相同。从逻辑上讲，对于相同的指令，更多的指令需要更长的周期。但是，如果同时考虑了指令获取时间和管道/缓存，那么实际的执行总时间取决于处理器。处理器还可以预测分支。

    现代处理器有更多的核心，事情可能会更复杂。如果你是英特尔处理器用户，你可能想看看[英特尔？64和IA-32体系结构优化参考手册]。

    我不知道是否有硬件实现的clr，但是如果是的话，使用条件运算符可能会更快，因为il明显更小。

    注意：所有机器代码都是x86。

    我做了乔恩·斯基特所做的，经过了1次迭代和1000次迭代，得到了来自OP和乔恩的不同结果。在我看来，三元只是稍微快一点。具体代码如下：

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    static void runIfElse(int[] array, int iterations)
        {
            long value = 0;
            Stopwatch ifElse = new Stopwatch();
            ifElse.Start();
            for (int c = 0; c < iterations; c++)
            {
                foreach (int i in array)
                {
                    if (i > 0)
                    {
                        value += 2;
                    }
                    else
                    {
                        value += 3;
                    }
                }
            }
            ifElse.Stop();
            Console.WriteLine(String.Format("Elapsed time for If-Else: {0}", ifElse.Elapsed));
        }

        static void runTernary(int[] array, int iterations)
        {
            long value = 0;
            Stopwatch ternary = new Stopwatch();
            ternary.Start();
            for (int c = 0; c < iterations; c++)
            {
                foreach (int i in array)
                {
                    value += i > 0 ? 2 : 3;
                }
            }
            ternary.Stop();


            Console.WriteLine(String.Format("Elapsed time for Ternary: {0}", ternary.Elapsed));
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            Random r = new Random();
            int[] array = new int[20000000];
            for (int i = 0; i < array.Length; i++)
            {
                array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
            }
            Array.Sort(array);

            long value = 0;

            runIfElse(array, 1);
            runTernary(array, 1);
            runIfElse(array, 1000);
            runTernary(array, 1000);

            Console.ReadLine();
        }

    我程序的输出：

    Elapsed time for If-Else: 00:00:00.0140543

    Elapsed time for Ternary: 00:00:00.0136723

    Elapsed time for If-Else: 00:00:14.0167870

    Elapsed time for Ternary: 00:00:13.9418520

    以毫秒为单位的另一次运行：

    Elapsed time for If-Else: 20

    Elapsed time for Ternary: 19

    Elapsed time for If-Else: 13854

    Elapsed time for Ternary: 13610

    这是在64位XP中运行的，我没有调试就运行了。

    编辑-在x86中运行：

    使用x86有很大的不同。这是在同一台xp 64位计算机上完成的，与以前没有调试，而是为x86 CPU构建的。这看起来更像是手术。

    Elapsed time for If-Else: 18

    Elapsed time for Ternary: 35

    Elapsed time for If-Else: 20512

    Elapsed time for Ternary: 32673

    相关讨论

    生成的汇编程序代码将说明以下情况：

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    a = (b > c) ? 1 : 0;

    生成：

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    mov  edx, DWORD PTR a[rip]
    mov  eax, DWORD PTR b[rip]
    cmp  edx, eax
    setg al

    鉴于：

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    if (a > b) printf("a");
    else printf("b");

    生成：

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    mov edx, DWORD PTR a[rip]
    mov eax, DWORD PTR b[rip]
    cmp edx, eax
    jle .L4
        ;printf a
    jmp .L5
    .L4:
        ;printf b
    .L5:

    因此，三元可以变得越来越短、越来越快，这仅仅是因为使用更少的指令，如果您在寻找真/假，就不会跳转。如果使用的值不是1和0，则会得到与if/else相同的代码，例如：

    1
    a = (b > c) ? 2 : 3;

    生成：

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    mov edx, DWORD PTR b[rip]
    mov eax, DWORD PTR c[rip]
    cmp edx, eax
    jle .L6
        mov eax, 2
    jmp .L7
    .L6:
        mov eax, 3
    .L7:

    与if/else相同。

    查看生成的IL，其中的操作比if/else语句少16个(复制和粘贴@jonsket的代码)。然而，这并不意味着它应该是一个更快的过程！

    为了总结IL中的差异，if/else方法的翻译与c代码读取(在分支内执行加法)几乎相同，而条件代码将2或3加载到堆栈上(取决于值)，然后将其添加到条件之外的值。

    另一个区别是所使用的分支指令。if/else方法使用brtrue(branch if true)跳过第一个条件，使用无条件分支从if语句的第一个条件中跳转。条件代码使用bgt(如果大于则分支)而不是brtrue，这可能是一个较慢的比较。

    此外(刚刚阅读了分支预测)，分支越小，可能会受到性能惩罚。条件分支在分支内只有1条指令，但if/else有7条。这也解释了为什么在使用long和int之间存在差异，因为更改为int会将if/else分支中的指令数减少1(使预读更少)。

    在不调试ctrl+f5的情况下运行，调试器似乎会显著降低ifs和triary的速度，但似乎会大大降低三元运算符的速度。

    当我运行以下代码时，这里是我的结果。我认为微小的毫秒差异是由编译器优化max=max并删除它造成的，但可能不是对三元运算符进行优化。如果有人能检查组件并确认这一点，那就太棒了。

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    --Run #1--
    Type   | Milliseconds
    Ternary 706
    If     704
    %: .9972
    --Run #2--
    Type   | Milliseconds
    Ternary 707
    If     704
    %: .9958
    --Run #3--
    Type   | Milliseconds
    Ternary 706
    If     704
    %: .9972

    代码

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      for (int t = 1; t != 10; t++)
            {
                var s = new System.Diagnostics.Stopwatch();
                var r = new Random(123456789);   //r
                int[] randomSet = new int[1000]; //a
                for (int i = 0; i < 1000; i++)   //n
                    randomSet[i] = r.Next();     //dom
                long _ternary = 0; //store
                long _if = 0;      //time
                int max = 0; //result
                s.Start();
                for (int q = 0; q < 1000000; q++)
                {
                    for (int i = 0; i < 1000; i++)
                        max = max > randomSet[i] ? max : randomSet[i];
                }
                s.Stop();
                _ternary = s.ElapsedMilliseconds;
                max = 0;
                s = new System.Diagnostics.Stopwatch();
                s.Start();
                for (int q = 0; q < 1000000; q++)
                {
                    for (int i = 0; i < 1000; i++)
                        if (max > randomSet[i])
                            max = max; // I think the compiler may remove this but not for the ternary causing the speed difference.
                        else
                            max = randomSet[i];
                }

                s.Stop();
                _if = s.ElapsedMilliseconds;
                Console.WriteLine("--Run #" + t+"--");
                Console.WriteLine("Type   | Milliseconds
    Ternary {0}
    If     {1}
    %: {2}"    , _ternary, _if,((decimal)_if/(decimal)_ternary).ToString("#.####"));
            }

    在下面的代码中，if/else的速度大约是三元运算符的1.4倍。但是，我发现引入一个临时变量会减少三元运算符的运行时间约1.4倍：

    If/Else: 98 ms

    Ternary: 141 ms

    Ternary with temp var: 100 ms

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    using System;
    using System.Diagnostics;

    namespace ConsoleApplicationTestIfElseVsTernaryOperator
    {
        class Program
        {
            static void Main(string[] args)
            {
                Random r = new Random(0);
                int[] array = new int[20000000];
                for (int i = 0; i < array.Length; i++)
                {
                    array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
                }
                Array.Sort(array);
                long value;
                Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();

                value = 0;
                stopwatch.Restart();
                foreach (int i in array)
                {
                    if (i > 0)
                    {
                        value += 2;
                    }
                    else
                    {
                        value += 3;
                    }
                    // 98 ms
                }
                stopwatch.Stop();
                Console.WriteLine("If/Else:" + stopwatch.ElapsedMilliseconds.ToString() +" ms");

                value = 0;
                stopwatch.Restart();
                foreach (int i in array)
                {
                    value += (i > 0) ? 2 : 3;
                    // 141 ms
                }

                stopwatch.Stop();
                Console.WriteLine("Ternary:" + stopwatch.ElapsedMilliseconds.ToString() +" ms");

                value = 0;
                int tempVar = 0;
                stopwatch.Restart();
                foreach (int i in array)
                {
                    tempVar = (i > 0) ? 2 : 3;
                    value += tempVar;
                    // 100ms
                }
                stopwatch.Stop();
                Console.WriteLine("Ternary with temp var:" + stopwatch.ElapsedMilliseconds.ToString() +" ms");

                Console.ReadKey(true);
            }
        }
    }