测试对象

1，C# (Unity脚本)
2，C# DLL（mcs build的动态链接库再导入Unity）
3，C Native Code（LLVM编译后导入Unity）

被测试函数源码

两个随机数数组进行大小比较，一个数组保存大数，另一个保存小数。

C# 和 C#DLL：

	public void Minmax1_CSharp(double[] a,double[] b,int n){int i;for (i = 0; i < n; i++) {if (a [i] > b [i]) {double t = a [i];a [i] = b [i];b [i] = t;}}}public void Minmax2_CSharp(double[] a,double[] b,int n){int i;for (i = 0; i < n; i++) {double min = a [i] < b [i] ? a [i] : b [i];double max = a [i] < b [i] ? b [i] : a [i];a [i] = min;b [i] = max;}}

C:

extern void Minmax1(double a[],double b[],int n){int i;for (i = 0; i < n; i++) {if (a [i] > b [i]) {double t = a [i];a [i] = b [i];b [i] = t;}}
}extern void Minmax2(double a[],double b[],int n){int i;for (i = 0; i < n; i++) {double min = a [i] < b [i] ? a [i] : b [i];double max = a [i] < b [i] ? b [i] : a [i];a [i] = min;b [i] = max;}
}

Unity测试脚本：

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;
using System.Runtime.InteropServices;public class ConditionalTrans : MonoBehaviour {private double[] array1_double=new double[1000000];private double[] array2_double=new double[1000000];void Start(){int pTime;int cTime;//C测试=====================================================for (int i = 0; i < 1000000; i++) {array1_double [i] = (double)Random.Range (1f, 100000f);array2_double [i] = (double)Random.Range (1f, 100000f);}pTime = System.Environment.TickCount;Minmax1 (array1_double,array2_double,1000000);cTime =  System.Environment.TickCount;Debug.Log ("MM1:Time:"+(cTime-pTime));for (int i = 0; i < 1000000; i++) {array1_double [i] = (double)Random.Range (1f, 100000f);array2_double [i] = (double)Random.Range (1f, 100000f);}pTime = System.Environment.TickCount;Minmax2 (array1_double,array2_double,1000000);cTime =  System.Environment.TickCount;Debug.Log ("MM2:Time:"+(cTime-pTime));for (int i = 0; i < 1000000; i++) {array1_double [i] = (double)Random.Range (1f, 100000f);array2_double [i] = (double)Random.Range (1f, 100000f);}//C#测试=====================================================pTime = System.Environment.TickCount;Minmax1_CSharp (array1_double,array2_double,1000000);cTime =  System.Environment.TickCount;Debug.Log ("MM1_CS:Time:"+(cTime-pTime));for (int i = 0; i < 1000000; i++) {array1_double [i] = (double)Random.Range (1f, 100000f);array2_double [i] = (double)Random.Range (1f, 100000f);}pTime = System.Environment.TickCount;Minmax2_CSharp (array1_double,array2_double,1000000);cTime =  System.Environment.TickCount;Debug.Log ("MM2_CS:Time:"+(cTime-pTime));//C#DLL测试=====================================================LibTest6.MyClass mc = new LibTest6.MyClass ();for (int i = 0; i < 1000000; i++) {array1_double [i] = (double)Random.Range (1f, 100000f);array2_double [i] = (double)Random.Range (1f, 100000f);}pTime = System.Environment.TickCount;mc.CSDLL_Minmax1(array1_double,array2_double,1000000);cTime =  System.Environment.TickCount;Debug.Log ("MM1_CSDLL:Time:"+(cTime-pTime));for (int i = 0; i < 1000000; i++) {array1_double [i] = (double)Random.Range (1f, 100000f);array2_double [i] = (double)Random.Range (1f, 100000f);}pTime = System.Environment.TickCount;mc.CSDLL_Minmax2 (array1_double,array2_double,1000000);cTime =  System.Environment.TickCount;Debug.Log ("MM2_CSDLL:Time:"+(cTime-pTime));}//C#测试函数public void Minmax1_CSharp(double[] a,double[] b,int n){int i;for (i = 0; i < n; i++) {if (a [i] > b [i]) {double t = a [i];a [i] = b [i];b [i] = t;}}}//C#测试函数public void Minmax2_CSharp(double[] a,double[] b,int n){int i;for (i = 0; i < n; i++) {double min = a [i] < b [i] ? a [i] : b [i];double max = a [i] < b [i] ? b [i] : a [i];a [i] = min;b [i] = max;}}//C测试函数[DllImport("C_Plugin",ExactSpelling=true,EntryPoint="Minmax1")]private static extern void Minmax1(double[] a,double[] b,int n);//C测试函数[DllImport("C_Plugin")]private static extern void Minmax2(double[] a,double[] b,int n);
}

测试环境：

unity多线程、CPU: 2.6 GHz Intel Core i5 双核
SRAM：L1 i-Cache 32K/d-Cache 32K, L2 256K, L3 3M
内存：8 GB 1600 MHz DDR3
IDE: C —Xcode Version 9.1 (9B55)
C#—Mono Develop 5.9.6
Unity: 2017.1.1f1 Personal

编译器与优化级别：

C#
编译器：mcs/.NET JIT
优化级别：未知

C# DLL
编译器：mcs/.NET JIT
优化级别：未知

C Native
编译器：LLVM
优化级别： -O3

测试结果：

两组一百万个double随机数比较大小后对调：
1，C#: 21毫秒(minmax1) 26毫秒(minmax2)
2，C# DLL: 15毫秒(minmax1) 24毫秒(minmax2)
3，C Native: 5毫秒(minmax1) 2毫秒(minmax2)
测试结果截图：

分析各版本各函数生成的CIL/机器码：

先了解下C#的编译流程
C#脚本：源码先被mcs编译成CIL（微软中间语言），保存在Assembly-CSharp.dll中，在Unity运行时，.NET JIT编译器根据需要实时的将CIL编译成机器码，并由机器执行。
C# DLL：C#DLL中的内容仍然还是CIL，同上，在运行时由JIT实时编译成机器码。
由于JIT是实时编译，在mac不知道如何获取它生成的机器码。mono还有一个AOT编译器，它可以将CIL进行预编译，以下将会分析AOT生成的机器码，优化级别为-optimize=all。但实际上由于两种编译器的运行机制不同导致的优化策略不同，生成的机器码可能不一样，只能希望是相差不大了。

由最慢向最快(C#–>C#DLL–>C)分析：

1，C# Minmax2

同一个Monodevelop编译，同3

2，C# Minmax1

同4

3，C# DLL Minmax2

CIL代码：

IL_0041是for循环起始处，以b开头并以ILxxx结尾的指令都是branch分支跳转，for循环内有4次分支跳转，看来是将三元操作符翻译成了4个if。

从CIL码手动生成的机器码：

红线范围内是for循环，循环内四次跳转，忠实的执行了CIL版本的逻辑，comisd指令比较寄存器低64位，没有什么优化。

4，C# DLL Minmax1

CIL代码：

在IL_0002处开始的循环中只有一次分支跳转，与源码逻辑相同。

机器码：

循环内只有一次comisd比较，一次循环内的分支跳转，与CIL看起来一样。

5，C Minmax1

反汇编出来的机器码：

循环内有两次comisd比较以及跳转（源码是一次），两次跳转的原因没大看懂，不确定是不是循环展开，但是jbe判断两个数大小然后有个交换好像是这么个意思-_-;。rax保存的应该是n，通过加fffffffffffffffe溢出后减1进行循环。

6，C Minmax2

反汇编出来的机器码：

将源码的三元操作符译为了minsd/maxsd，在循环内无任何分支跳转，并且使用了3个xmm寄存器，目测是减少了读写相关性，提高了指令并行度，并且有二路循环展开。

总结：

1，在机器码层面，预测难度很大的分支跳转次数与函数运行速度成反比

C#: 21毫秒(minmax1)/1次跳转 26毫秒(minmax2)/4次跳转
C# DLL：15毫秒(minmax1)/1次跳转 24毫秒(minmax2)/4次跳转
C Native ：5毫秒(minmax1)/2次跳转 2毫秒(minmax2)/0次跳转

对x86的乱序处理器来说(core i5/i7)，指令控制单元以最快的速度发射指令到执行单元，执行单元并行的执行指令，并将执行结果返回给控制单元，指令控制单元为了追求速度遇到分支跳转时（if-else）不会等待条件判断的结果，而是预测一个结果（既是跳转或不跳转），并继续发射指令，这些在比较结果出来之前而发射的指令会正常执行但不会写入内存，当比较结果出来时，如果预测正确则写入内存，如果预测错误，必须全部取消并且回到分支处重新取指，这一过程在时间上的损耗既是分支预测惩罚。当分支结果比较好预测时，这种分支预测策略是相当合理的（在另一组测试中，每个数组1中的变量都比数组2中的变量大1，除了C Natice Minmax2，所有版本的函数运行速度全部变快了）。但当遇到此案例这种根本无法预测的情况时，CPU只能进行赌博式投机预测，不可避免的大量分支预测惩罚影响了程序的运行速度。

2, C# DLL 要比 C#脚本快那么一点。

但是考虑到一，一个案例代表不了一般性，二，优势过于微弱。更保守的判断是在不同情况下C# DLL与Unity脚本各有优劣。

3，C Native+LLVM-O3编译在速度上有绝对优势

不论是测试数据上，还是生成的机器码在理论上的优化程度上C都是完胜。

4，源码层面上使用三元操作符不一定优于if-else

以逻辑的角度来看，三元操作符转化为min/max或cmov等CPU指令应该是理所当然的，但是由于当前的编译器的扭曲代码能力太强，源码所产生的机器码通常是由编译器的分析能力决定的。在此案例中，mcs编译器的智能明显还是有限的（或者是CIL语言的局限性）。由于三元操作符在CIL层面就已经被译为了分支跳转，JIT对此问题的优化逻辑成了未知数。
Xcode的LLVM在-O3优化级别下合理的将三元操作符转化为了min/max指令，但是在其他优化级别依然会错误的选择分支跳转。

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参考：
深入理解计算机系统—R.E Bryant,D.R.Hallaron

维护日志：
2020-2-2：review