我是
Fabien Sanglard所做的一切的
忠实拥护者 ，我喜欢他的博客，并且阅读
了他的两
本书封面（在最近的
Hansleminutes播客中对此进行了介绍）。
Fabien最近写了一篇很棒的文章，他
解密了一个微型射线追踪器，对代码进行了模糊处理，并以奇妙的方式很好地解释了数学。 我真的建议您花时间阅读本文！
但这使我怀疑
是否可以将C ++代码移植到C＃ ？ 由于最近我在
主要工作中写了很多C ++，所以我认为我可以尝试。
但更重要的是，我想更好地了解
C＃是否为低级语言 ？
一个稍有不同但相关的问题：C＃适合“系统编程”多少？ 关于这个主题，我真的推荐
Joe Duffy从2013年开始的出色文章 。
线路端口
我首先简单地将经过
混淆的C ++代码逐行移植到C＃。 这非常简单：似乎仍然在说C＃是C ++++！
该示例显示了主要数据结构-'vector'，这是一个比较，左侧为C ++，右侧为C＃：
因此，在语法上有一些区别，但是由于.NET允许您定义
自己的值类型 ，因此我能够获得相同的功能。 这很重要，因为将“向量”视为一种结构意味着我们可以获得更好的“数据局部性”，并且我们不需要涉及.NET垃圾收集器，因为数据将被压入堆栈（是的，我知道这是一个实现细节）。
有关.NET中的
structs或“值类型”的更多信息，请参见此处：
特别是，在埃里克·利珀特（Eric Lippert）的上一篇文章中，我们找到了这样一个有用的报价，它使“值类型”的真正含义清楚：
当然，关于值的类型的最重要的事实不是实现细节， 如何分配它们 ，而是“值的类型”的原始语义 ， 即，它总是“按值”复制 。 如果分配信息很重要，我们将其称为“堆类型”和“堆栈类型”。 但在大多数情况下，这并不重要。 大多数时候，复制和标识的语义是相关的。
现在，让我们看一下比较中的其他一些方法（再次是C ++，左边是C＃），首先是
RayTracing(..) ：
然后
QueryDatabase (..) ：
（有关这两个功能的解释，请参见
Fabian的帖子 ）
但是，事实再次是，C＃使编写C ++代码变得非常容易！ 在这种情况下，
ref关键字对我们的帮助最大，这使我们可以通过
reference传递
值 。 我们已经在方法调用中使用
ref了很长一段时间，但是最近，我们努力在其他地方解析
ref ：
现在
有时使用
ref可以提高性能，因为不需要复制该结构，有关更多信息，请参见
Adam Stinix在
帖子中的基准测试和
“ Performance traps ref locals and ref return in C＃” 。
但是最重要的是，这样的脚本为我们的C＃端口提供了与C ++源代码相同的行为。 尽管我想指出的是，所谓的“托管链接”与“指针”并不完全相同，特别是，您无法对其进行算术运算，请参见此处：
性能表现
因此，代码移植得很好，但是性能也很重要。 特别是在光线跟踪器中，它可以计算几分钟的帧。 C ++代码包含变量
sampleCount ，它控制最终的图像质量，其中
sampleCount = 2如下：
显然不是很现实！
但是，当您达到
sampleCount = 2048 ，一切看起来
会好得多：
但是从
sampleCount = 2048开始
非常耗时，因此所有其他运行都以
2值执行，至少需要一分钟。 更改
sampleCount仅影响最外层代码循环的迭代次数，有关说明，请参见此
要点 。
“天真”线路端口后的结果
为了实质性地比较C ++和C＃，我使用了
time-windows工具，这是
time unix命令的端口。 初始结果如下所示：
| C ++（VS 2017） | .NET Framework（4.7.2） | .NET Core（2.2） |
|---|
| 时间（秒） | 47.40 | 80.14 | 78.02 |
| 核心（秒） | 0.14（0.3％） | 0.72（0.9％） | 0.63（0.8％） |
| 在用户空间（秒） | 43.86（92.5％） | 73.06（91.2％） | 70.66（90.6％） |
| 页面错误错误数 | 1143 | 4818 | 5945 |
| 工作集（KB） | 4232 | 13624 | 17052 |
| 扩展内存（KB） | 95 | 172 | 154 |
| 非抢先内存 | 7 | 14 | 16 |
| 交换文件（KB） | 1460 | 10936 | 11024 |
最初，我们看到C＃代码比C ++版本稍慢一些，但是越来越好（见下文）。
但是，让我们首先看看.NET JIT甚至通过这个“天真”的逐行端口对我们的作用。 首先，它很好地嵌入了较小的辅助方法。 这可以在出色的
Inlining分析器工具的输出中看到（绿色=内置）：
但是，它不会嵌入所有方法，例如，由于复杂性，
QueryDatabase(..)跳过
QueryDatabase(..) ：
.NET即时（JIT）编译器的另一个功能是将特定的方法调用转换为相应的CPU指令。 我们可以在
sqrt shell函数中看到这一点，这里是C＃源代码（请注意对
Math.Sqrt的调用）：
这是.NET JIT生成的汇编代码：没有对
Math.Sqrt调用，而使用了处理器指令
vsqrtsd ：
; Assembly listing for method Program:sqrtf(float):float ; Emitting BLENDED_CODE for X64 CPU with AVX - Windows ; Tier-1 compilation ; optimized code ; rsp based frame ; partially interruptible ; Final local variable assignments ; ; V00 arg0 [V00,T00] ( 3, 3 ) float -> mm0 ;# V01 OutArgs [V01 ] ( 1, 1 ) lclBlk ( 0) [rsp+0x00] "OutgoingArgSpace" ; ; Lcl frame size = 0 G_M8216_IG01: vzeroupper G_M8216_IG02: vcvtss2sd xmm0, xmm0 vsqrtsd xmm0, xmm0 vcvtsd2ss xmm0, xmm0 G_M8216_IG03: ret ; Total bytes of code 16, prolog size 3 for method Program:sqrtf(float):float ; ============================================================
（要获取此问题，请遵循
以下说明 ，使用
“ Disasmo” VS2019附加组件或查看
SharpLab.io ）
这些替换也称为
内在函数 ，在下面的代码中，我们可以看到JIT如何生成它们。 该代码段仅显示了
AMD64的映射，但是JIT还针对
X86 ，
ARM和
ARM64 （
此处的完整方法）。
bool Compiler::IsTargetIntrinsic(CorInfoIntrinsics intrinsicId) { #if defined(_TARGET_AMD64_) || (defined(_TARGET_X86_) && !defined(LEGACY_BACKEND)) switch (intrinsicId) {
如您所见，实现了一些方法，例如
Sqrt和
Abs ，而其他方法则使用C ++运行时函数，例如
powf 。
“如何在.NET Framework中实现Math.Pow（）？”一文中对整个过程进行了很好的解释。 ，也可以在CoreCLR源代码中看到：
简单的性能改进后的结果
我想知道您是否可以立即改进朴素的逐端口端口。 经过一些分析后，我进行了两项重大更改：
- 删除内联数组初始化
- 用
Math.XXX(..)的类似物代替Math.XXX(..)的功能
这些更改将在下面更详细地说明。
删除内联数组初始化
有关为什么需
要这样做的更多信息，请参见
Andrei Akinshin提供的 出色的Stack Overflow答案以及基准和汇编代码。 他得出以下结论：
结论
- .NET是否缓存硬编码的本地数组？ 就像将Roslyn编译器放入元数据的代码一样。
- 在这种情况下，会有开销吗？ 不幸的是，是的：对于每次调用，JIT都会从元数据中复制数组的内容，与静态数组相比，这会花费额外的时间。 运行时还选择对象并在内存中创建流量。
- 有什么需要担心的吗？ 可能吧 如果这是一个热门方法，并且您想要实现良好的性能水平，则需要使用静态数组。 如果这是不影响应用程序性能的冷方法，则可能需要编写“良好”源代码并将该数组放置在方法区域中。
您可以看到在
此diff中所做的更改。
使用MathF函数代替数学
其次，也是最重要的是，通过进行以下更改，我显着提高了性能：
#if NETSTANDARD2_1 || NETCOREAPP2_0 || NETCOREAPP2_1 || NETCOREAPP2_2 || NETCOREAPP3_0
从.NET Standard 2.1开始，存在
float通用数学函数的具体实现。 它们位于
System.MathF类中。 有关此API及其实现的更多信息，请参见此处：
经过这些更改后，C＃和C ++代码性能的差异减少到大约10％：
| C ++（VS C ++ 2017） | .NET Framework（4.7.2） | .NET Core（2.2）TC关闭 | .NET Core（2.2）TC开 |
|---|
| 时间（秒） | 41.38 | 58.89 | 46.04 | 44.33 |
| 核心（秒） | 0.05（0.1％） | 0.06（0.1％） | 0.14（0.3％） | 0.13（0.3％） |
| 在用户空间（秒） | 41.19（99.5％） | 58.34（99.1％） | 44.72（97.1％） | 44.03（99.3％） |
| 页面错误错误数 | 1119 | 4749 | 5776 | 5661 |
| 工作集（KB） | 4136 | 13,440 | 16,788 | 16,652 |
| 扩展内存（KB） | 89 | 172 | 150 | 150 |
| 非抢先内存 | 7 | 13 | 16 | 16 |
| 交换文件（KB） | 1428 | 10 904 | 10960 | 11044 |
TC多级编译，
分层编译 （
我想默认它将在.NET Core 3.0中启用）
为了完整起见，以下是几次运行的结果：
| 跑 | C ++（VS C ++ 2017） | .NET Framework（4.7.2） | .NET Core（2.2）TC关闭 | .NET Core（2.2）TC开 |
|---|
| TestRun-01 | 41.38 | 58.89 | 46.04 | 44.33 |
| TestRun-02 | 41.19 | 57.65 | 46.23 | 45.96 |
| TestRun-03 | 42.17 | 62.64 | 46.22 | 48.73 |
注意 ：.NET Core和.NET Framework之间的差异是由于.NET Framework 4.7.2中缺少MathF API，有关更多信息，请参阅
支持票证.Net Framework（4.8？）对于netstandard 2.1 。
进一步提高生产力
我确信代码仍可以改进！
如果您有兴趣解决性能差异，那么
这里是C＃代码 。 为了进行比较，您可以从出色的
Compiler Explorer服务中观看C ++汇编程序代码。
最后，如果有帮助，这是带有“热路径”显示的Visual Studio探查器输出（在上述性能改进之后）：
C＃是低级语言吗？
或更具体地说：
C＃/ F＃/ VB.NET或BCL /运行时功能的哪些语言功能意味着“低级” *编程？
*是的，我知道“低级”是一个主观术语。
注意：每个C＃开发人员都有自己的“低级”概念，这些功能将被C ++或Rust程序员视为理所当然。
这是我列出的清单：
- ref返回和ref当地人
- “通过引用返回并避免复制大型结构。 安全的类型和内存甚至比不安全的还快 ！”
- .NET中不安全的代码
- “在前几章中定义的核心C＃语言与C和C ++有很大不同，因为它缺少指针作为数据类型。 相反，C＃提供了链接，并提供了创建由垃圾收集器控制的对象的功能。 这种设计与其他功能的结合，使C＃语言比C或C ++安全得多。”
- .NET中的托管指针
- “ CLR中还有另一种类型的指针-托管指针。 可以将其定义为一种更通用的链接类型，它可以指向其他位置，而不仅仅是指向对象的开头。”
- C＃7系列，第10部分：跨度<T>和通用内存管理
- “ System.Span <T>只是包装所有内存访问模式的堆栈类型（
ref struct ）；它是用于通用连续内存访问的类型。 我们可以想象一个Span实现，它具有一个虚拟引用，并且其长度可以接受所有三种类型的内存访问。”
- 兼容性（“ C＃编程指南”）
- “ .NET Framework通过平台调用服务，
System.Runtime.InteropServices ，C ++兼容性和COM（COM互操作性）兼容性，提供了与非托管代码的互操作性。”
我还在Twitter上大喊一声，并获得了更多加入列表的选项：
- Ben Adams ：“用于平台的内置工具（CPU指令）”
- 马克·格雷韦尔 （ Mark Gravell） ：“通过Vector进行SIMD（与Span配合得很好）*很低*； .NET Core应该（很快吗？）提供直接的CPU嵌入式工具，以便更明确地使用特定的CPU指令”
- Mark Gravell ：“强大的JIT：诸如数组/间隔上的范围省略之类的东西，以及使用按结构T的规则删除JIT知道的大段代码，以确保它们不适用于该T或您的特定对象CPU（BitConverter.IsLittleEndian，Vector.IsHardwareAccelerated等）“
- 凯文·琼斯 ：“我特别要提到
MemoryMarshal和Unsafe类，以及System.Runtime.CompilerServices中的其他一些东西，”
- Theodoros Chatsigiannakis ：“您还可以包括
__makeref和其余的内容”
- Damageboy ：“能够动态生成与预期输入完全匹配的代码的功能，假设后者只能在运行时知道并且可能会定期更改？”
- 罗伯特·哈肯（Robert Hacken） ：“ IL的动态排放”
- Victor Baybekov ：“未提及Stackalloc。 也可以编写纯IL（不是动态的，因此将其保存在函数调用中），例如，使用缓存的
ldftn并通过calli对其进行调用。 VS2017中有一个proj模板，可通过重写方法extern + MethodImplOptions.ForwardRef + ilasm.ex来简化此工作»
- Victor Baybekov ：“ MethodImplOptions.AggressiveInlining也“激活了低级编程”，因为它允许您使用许多小的方法编写高级代码，并且仍然控制JIT的行为以获得最佳结果。 否则，将复制粘贴数百种LOC方法...”
- Ben Adams ：“使用与基本平台相同的调用约定（ABI），并且p /调用进行交互吗？”
- Victor Baibekov ：“此外，由于您提到了#fsharp-它具有一个
inline ，该inline在IL级别直到JIT都有效，因此在语言级别上被认为很重要。 C＃到目前为止，对于lambda来说，这还远远不够，因为lambda始终是虚拟调用，解决方法通常很奇怪（有限的泛型）”
- Alexandre Mutel ：“新的嵌入式SIMD，对Unsafe Utility类/ IL（例如，自定义，Fody等）进行后处理。 对于C＃8.0，即将发布的函数指针...
- Alexandre Mutel ：“例如，关于IL，F＃直接支持某种语言的IL”
- OmariO ：“ BinaryPrimitives 。 级别低，但很安全”
- 松井晃司 ：“您自己的内置汇编程序怎么样？ 这对工具包和运行时都非常困难，但是它可以替代当前的p / invoke解决方案并实现嵌入式代码（如果有的话）
- 弗兰克·A·克鲁格（Frank A. Kruger） ：“ Ldobj，stobj，initobj，initblk，cpyblk”
- 康拉德·椰子（Conrad Coconut） ：“也许可以流式传输本地存储？ 固定大小的缓冲区？ 您可能应该提到非托管约束和可绑定类型：)”
- Sebastiano Mandala ：“只说了几句话：简单的事情（例如安排结构）以及填充和对齐内存以及字段顺序如何影响缓存性能？ 这是我自己必须探索的东西。”
- Nino Floris ：“通过readspanspan，stackalloc，finalizers，WeakReference，开放委托，MethodImplOptions，MemoryBarriers，TypedReference，varargs，SIMD，Unsafe.AsRef嵌入的常量可以完全根据布局（用于TaskAwaiter及其版本）设置结构的类型”
因此，最后，我要说的是，C＃当然允许您编写类似于C ++的代码，并且结合运行时库和基类库提供了许多底层函数。进一步阅读
Unity Burst编译器：