O que pode explicar a sobrecarga do uso de const neste caso?

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Estou batendo minha cabeça contra a parede aqui, então espero que alguns de vocês possam me educar. Eu estava fazendo alguns benchmarks de desempenho usando o BenchmarkDotNet e me deparei com esse caso estranho em que parece que declarar um membro constprejudica consideravelmente o desempenho.

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System;

namespace PerfTest
{
    [DisassemblyDiagnoser(printAsm: true, printSource: true)]
    public class Test
    {
        private int[] data;
        private int Threshold = 90;
        private const int ConstThreshold = 90;

        [GlobalSetup]
        public void GlobalSetup()
        {
            data = new int[1000];
            var random = new Random(42);
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                data[i] = random.Next(100);
            }
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            var summary = BenchmarkRunner.Run<Test>();
        }

        [Benchmark(Baseline = true)]
        public void ClampToMemberValue()
        {
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                if (data[i] > Threshold) data[i] = Threshold;
            }
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToConstValue()
        {
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                if (data[i] > ConstThreshold) data[i] = ConstThreshold;
            }
        }
    }
}

Observe que a única diferença entre os dois métodos de teste é se eles são comparados a uma variável de membro regular ou a um membro const.

De acordo com o BenchmarkDotNet, o uso do valor const é significativamente mais lento e não entendo o porquê.

BenchmarkDotNet=v0.11.5, OS=Windows 10.0.18362
Intel Core i7-5820K CPU 3.30GHz (Broadwell), 1 CPU, 12 logical and 6 physical cores
.NET Core SDK=3.0.100
  [Host]     : .NET Core 3.0.0 (CoreCLR 4.700.19.46205, CoreFX 4.700.19.46214), 64bit RyuJIT
  DefaultJob : .NET Core 3.0.0 (CoreCLR 4.700.19.46205, CoreFX 4.700.19.46214), 64bit RyuJIT


|             Method |     Mean |    Error |   StdDev | Ratio |
|------------------- |---------:|---------:|---------:|------:|
| ClampToMemberValue | 590.4 ns | 1.980 ns | 1.852 ns |  1.00 |
|  ClampToConstValue | 724.6 ns | 4.184 ns | 3.709 ns |  1.23 |

Olhar para o código compilado JIT não explica até onde eu sei. Aqui está o código para os dois métodos. A única diferença é se a comparação é feita com um registro ou um literal.

00007ff9`7f1b8500 PerfTest.Test.ClampToMemberValue()
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                 ^^^^^^^^^
00007ff9`7f1b8504 33c0            xor     eax,eax
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                            ^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1b8506 488b5108        mov     rdx,qword ptr [rcx+8]
00007ff9`7f1b850a 837a0800        cmp     dword ptr [rdx+8],0
00007ff9`7f1b850e 7e2e            jle     00007ff9`7f1b853e
00007ff9`7f1b8510 8b4910          mov     ecx,dword ptr [rcx+10h]
                if (data[i] > Threshold) data[i] = Threshold;
                ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1b8513 4c8bc2          mov     r8,rdx
00007ff9`7f1b8516 458b4808        mov     r9d,dword ptr [r8+8]
00007ff9`7f1b851a 413bc1          cmp     eax,r9d
00007ff9`7f1b851d 7324            jae     00007ff9`7f1b8543
00007ff9`7f1b851f 4c63c8          movsxd  r9,eax
00007ff9`7f1b8522 43394c8810      cmp     dword ptr [r8+r9*4+10h],ecx
00007ff9`7f1b8527 7e0e            jle     00007ff9`7f1b8537
                if (data[i] > Threshold) data[i] = Threshold;
                                         ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1b8529 4c8bc2          mov     r8,rdx
00007ff9`7f1b852c 448bc9          mov     r9d,ecx
00007ff9`7f1b852f 4c63d0          movsxd  r10,eax
00007ff9`7f1b8532 47894c9010      mov     dword ptr [r8+r10*4+10h],r9d
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                                             ^^^
00007ff9`7f1b8537 ffc0            inc     eax
00007ff9`7f1b8539 394208          cmp     dword ptr [rdx+8],eax
00007ff9`7f1b853c 7fd5            jg      00007ff9`7f1b8513
        }
        ^
00007ff9`7f1b853e 4883c428        add     rsp,28h

e

00007ff9`7f1a8500 PerfTest.Test.ClampToConstValue()
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                 ^^^^^^^^^
00007ff9`7f1a8504 33c0            xor     eax,eax
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                            ^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1a8506 488b5108        mov     rdx,qword ptr [rcx+8]
00007ff9`7f1a850a 837a0800        cmp     dword ptr [rdx+8],0
00007ff9`7f1a850e 7e2d            jle     00007ff9`7f1a853d
                if (data[i] > ConstThreshold) data[i] = ConstThreshold;
                ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1a8510 488bca          mov     rcx,rdx
00007ff9`7f1a8513 448b4108        mov     r8d,dword ptr [rcx+8]
00007ff9`7f1a8517 413bc0          cmp     eax,r8d
00007ff9`7f1a851a 7326            jae     00007ff9`7f1a8542
00007ff9`7f1a851c 4c63c0          movsxd  r8,eax
00007ff9`7f1a851f 42837c81105a    cmp     dword ptr [rcx+r8*4+10h],5Ah
00007ff9`7f1a8525 7e0f            jle     00007ff9`7f1a8536
                if (data[i] > ConstThreshold) data[i] = ConstThreshold;
                                              ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
00007ff9`7f1a8527 488bca          mov     rcx,rdx
00007ff9`7f1a852a 4c63c0          movsxd  r8,eax
00007ff9`7f1a852d 42c74481105a000000 mov   dword ptr [rcx+r8*4+10h],5Ah
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
                                             ^^^
00007ff9`7f1a8536 ffc0            inc     eax
00007ff9`7f1a8538 394208          cmp     dword ptr [rdx+8],eax
00007ff9`7f1a853b 7fd3            jg      00007ff9`7f1a8510
        }
        ^
00007ff9`7f1a853d 4883c428        add     rsp,28h

Tenho certeza de que há algo que eu ignorei, mas não posso grocá-lo neste momento, então estou procurando informações sobre o que pode explicar isso.

c#  performance  benchmarkdotnet 
— Brian Rasmussen
fonte
@OlivierRogier Lembro-me de BenchmarkDotNet falhar quando executado em Debug.
— Euphoric
De fato, o uso de um cronômetro prova que o uso de uma const int é um pouco mais lento que um campo em um simples a * a ... mesmo que o código IL use mais operandos.
— Olivier Rogier
11
Usando o BenchmarkDotNet 12.0 e o .Net Framework 4,8, eu executo o código exato da pergunta e não vejo nenhuma diferença significativa nos resultados entre os dois métodos ao executar no x86. Eu posso ver a diferença observada ao mudar para x64.
— NineBerry 13/11/19
As instruções cmpe movque são usadas para o caminho const ocupam mais memória que as instruções baseadas em registro porque a codificação de um número requer bytes adicionais e, no total, leva mais ciclos de CPU para executar (9 bytes vs 5 bytes para move 6 bytes vs 5 bytes para cmp) . E mesmo que haja mov ecx,dword ptr [rcx+10h]instruções adicionais para a versão não-const, é mais provável que seja otimizado pelo compilador JIT para ficar fora do loop na versão de lançamento.
— Dmytro Mukalov 13/11/19
@DmytroMukalov Mas a otimização para a versão não-const não causaria um comportamento diferente na execução paralela? Como o compilador pode otimizá-lo quando a variável pode ser alterada em um segmento diferente.
— Euphoric

Respostas:

4

Olhando para https://benchmarkdotnet.org/articles/features/setup-and-cleanup.html

Eu acredito que você deveria estar usando em [IterationSetup]vez de [GlobalSetup]. Com a configuração global, o dataé alterado uma vez e, em seguida, dataé reutilizado nos benchmarks.

Então, eu mudei o código para usar a inicialização adequada. Variáveis ​​alteradas para tornar as verificações mais frequentes. E adicionou mais algumas variações.

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System;

namespace PerfTest
{
    [DisassemblyDiagnoser(printAsm: true, printSource: true)]
    public class Test
    {
        private int[] data;
        private int[] data_iteration;

        private int Threshold = 50;
        private const int ConstThreshold = 50;

        [GlobalSetup]
        public void GlobalSetup()
        {
            data = new int[100000];
            var random = new Random(42);
            for (var i = 0; i < data.Length; i++)
            {
                data[i] = random.Next(100);
            }
        }

        [IterationSetup]
        public void IterationSetup()
        {
            data_iteration = new int[data.Length];
            Array.Copy(data, data_iteration, data.Length);
        }

        static void Main(string[] args)
        {
            var summary = BenchmarkRunner.Run<Test>();
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToClassConstValue()
        {
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > ConstThreshold) data_iteration[i] = ConstThreshold;
            }
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToLocalConstValue()
        {
            const int ConstThresholdLocal = 50;
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > ConstThresholdLocal) data_iteration[i] = ConstThresholdLocal;
            }
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToInlineValue()
        {
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > 50) data_iteration[i] = 50;
            }
        }

        [Benchmark]
        public void ClampToLocalVariable()
        {
            var ThresholdLocal = 50;
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > ThresholdLocal) data_iteration[i] = ThresholdLocal;
            }
        }

        [Benchmark(Baseline = true)]
        public void ClampToMemberValue()
        {
            for (var i = 0; i < data_iteration.Length; i++)
            {
                if (data_iteration[i] > Threshold) data_iteration[i] = Threshold;
            }
        }
    }
}

Os resultados parecem mais normais: 

BenchmarkDotNet=v0.12.0, OS=Windows 10.0.17134.1069 (1803/April2018Update/Redstone4)
Intel Core i7-8850H CPU 2.60GHz (Coffee Lake), 1 CPU, 12 logical and 6 physical cores
Frequency=2531250 Hz, Resolution=395.0617 ns, Timer=TSC
.NET Core SDK=3.0.100
  [Host]     : .NET Core 3.0.0 (CoreCLR 4.700.19.46205, CoreFX 4.700.19.46214), X64 RyuJIT
  Job-INSHHX : .NET Core 3.0.0 (CoreCLR 4.700.19.46205, CoreFX 4.700.19.46214), X64 RyuJIT

InvocationCount=1  UnrollFactor=1

|                 Method |     Mean |    Error |   StdDev |   Median | Ratio | RatioSD |
|----------------------- |---------:|---------:|---------:|---------:|------:|--------:|
| ClampToClassConstValue | 391.5 us | 17.86 us | 17.54 us | 384.2 us |  1.02 |    0.05 |
| ClampToLocalConstValue | 399.6 us |  9.49 us | 11.66 us | 399.0 us |  1.05 |    0.07 |
|     ClampToInlineValue | 384.1 us |  5.99 us |  5.00 us | 383.0 us |  1.00 |    0.06 |
|   ClampToLocalVariable | 382.7 us |  3.60 us |  3.00 us | 382.0 us |  1.00 |    0.05 |
|     ClampToMemberValue | 379.6 us |  8.48 us | 16.73 us | 371.8 us |  1.00 |    0.00 |

Não parece haver nenhuma diferença entre diferentes variantes. Tudo é otimizado ou o constante não é otimizado de forma alguma neste cenário.

— Eufórico
fonte
Eu estava brincando com isso também e acho que você está interessado em algo, então obrigado pela contribuição. Se a matriz sobreviver entre os benchmarks, a previsão da ramificação será diferente entre os dois casos. Vou bisbilhotar um pouco mais.
— Brian Rasmussen
@BrianRasmussen Acho que uma das principais diferenças é que, quando o array sobrevive com seus valores, apenas o primeiro benchmark executado tem que fazer o trabalho de alterar o array. Para todos os benchmarks adicionais na mesma matriz, o if nunca será verdadeiro.
— NineBerry 13/11/19
@NineBerry bom ponto. Se a maioria dos testes é executada com os valores alterados, ainda não consigo explicar a diferença, mas fazer a configuração da iteração parece importar, então há algo aqui para aprofundar. Obrigado a vocês dois!
— Brian Rasmussen
Na verdade, meu argumento não foi tão bom. Dado o código original da pergunta, GlobalSetupé executado duas vezes, uma vez antes de cada Benchmark; portanto, ambos os métodos começam com a mesma pré-condição.
— NineBerry 13/11/19
@NineBerry Sim. Mas cada método é executado muitas vezes como forma de suavizar extremos. Portanto, para cada método, há uma iteração que é OK e todas as outras iterações que se comportam de maneira diferente.
— Euphoric
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