不安全的指针迭代和位图 - 为什么 UInt64 更快？

我一直在做一些不安全的位图操作，并发现减少指针的增加次数可以带来一些重大的性能改进。我不确定为什么会这样，即使您在循环中进行了更多的按位运算，但最好还是在指针上进行更少的迭代。

例如，不要使用 UInt32 迭代 32 位像素，而是使用 UInt64 迭代两个像素，并在一个周期内执行两倍的操作。

下面的代码通过读取两个像素并修改它们来实现（当然，对于奇数宽度的图像，它会失败，但这只是为了测试）。

    private void removeBlueWithTwoPixelIteration()
    {
        // think of a big image with data
        Bitmap bmp = new Bitmap(15000, 15000, System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Format32bppArgb);
        TimeSpan startTime, endTime;

        unsafe {

            UInt64 doublePixel;
            UInt32 pixel1;
            UInt32 pixel2;

            const int readSize = sizeof(UInt64);
            const UInt64 rightHalf = UInt32.MaxValue;

            PerformanceCounter pf = new PerformanceCounter("System", "System Up Time"); pf.NextValue();

            BitmapData bd = bmp.LockBits(new Rectangle(0, 0, bmp.Width, bmp.Height), System.Drawing.Imaging.ImageLockMode.ReadWrite, bmp.PixelFormat);
            byte* image = (byte*)bd.Scan0.ToPointer();

            startTime = TimeSpan.FromSeconds(pf.NextValue());

            for (byte* line = image; line < image + bd.Stride * bd.Height; line += bd.Stride)
            {
                for (var pointer = line; pointer < line + bd.Stride; pointer += readSize)
                {
                    doublePixel = *((UInt64*)pointer);
                    pixel1 = (UInt32)(doublePixel >> (readSize * 8 / 2)) >> 8; // loose last 8 bits (Blue color)
                    pixel2 = (UInt32)(doublePixel & rightHalf) >> 8; // loose last 8 bits (Blue color)
                    *((UInt32*)pointer) = pixel1 << 8; // putback but shift so A R G get back to original positions
                    *((UInt32*)pointer + 1) = pixel2 << 8; // putback but shift so A R G get back to original positions
                }
            }

            endTime = TimeSpan.FromSeconds(pf.NextValue());

            bmp.UnlockBits(bd);
            bmp.Dispose();

        }

        MessageBox.Show((endTime - startTime).TotalMilliseconds.ToString());

    }

以下代码逐像素执行此操作，并且是大约慢 70%比上一个：

    private void removeBlueWithSinglePixelIteration()
    {
        // think of a big image with data
        Bitmap bmp = new Bitmap(15000, 15000, System.Drawing.Imaging.PixelFormat.Format32bppArgb);
        TimeSpan startTime, endTime;

        unsafe
        {

            UInt32 singlePixel;

            const int readSize = sizeof(UInt32);

            PerformanceCounter pf = new PerformanceCounter("System", "System Up Time"); pf.NextValue();

            BitmapData bd = bmp.LockBits(new Rectangle(0, 0, bmp.Width, bmp.Height), System.Drawing.Imaging.ImageLockMode.ReadWrite, bmp.PixelFormat);
            byte* image = (byte*)bd.Scan0.ToPointer();

            startTime = TimeSpan.FromSeconds(pf.NextValue());

            for (byte* line = image; line < image + bd.Stride * bd.Height; line += bd.Stride)
            {
                for (var pointer = line; pointer < line + bd.Stride; pointer += readSize)
                {
                    singlePixel = *((UInt32*)pointer) >> 8; // loose B
                    *((UInt32*)pointer) = singlePixel << 8; // adjust A R G back
                }
            }

            endTime = TimeSpan.FromSeconds(pf.NextValue());

            bmp.UnlockBits(bd);
            bmp.Dispose();

        }

        MessageBox.Show((endTime - startTime).TotalMilliseconds.ToString());
    }

有人可以澄清为什么增加指针的操作比执行一些按位操作更昂贵吗？

我正在使用 .NET 4 框架。

对于 C++ 来说，这样的事情会发生吗？

注意。 32 位与 64 位两种方法的比率是相等的，但是这两种方法在 64 位上比 32 位慢 20%？

编辑：正如 Porges 和 arul 所建议的，这可能是因为内存读取数量和分支开销减少。

EDIT2:

经过一些测试，似乎从内存中读取的时间更少是答案：

使用此代码，假设图像宽度可被 5 整除，则速度提高 400%：

[StructLayout(LayoutKind.Sequential,Pack = 1)]
struct PixelContainer {
    public UInt32 pixel1;
    public UInt32 pixel2;
    public UInt32 pixel3;
    public UInt32 pixel4;
    public UInt32 pixel5;
}

然后使用这个：

            int readSize = sizeof(PixelContainer);

            // .....

            for (var pointer = line; pointer < line + bd.Stride; pointer += readSize)
            {
                multiPixel = *((PixelContainer*)pointer);
                multiPixel.pixel1 &= 0xFFFFFF00u;
                multiPixel.pixel2 &= 0xFFFFFF00u;
                multiPixel.pixel3 &= 0xFFFFFF00u;
                multiPixel.pixel4 &= 0xFFFFFF00u;
                multiPixel.pixel5 &= 0xFFFFFF00u;
                *((PixelContainer*)pointer) = multiPixel;
            }

这是一种称为循环展开。 http://en.wikipedia.org/wiki/Loop_unrolling主要的性能优势应该来自于减少分支开销。

作为旁注，您可以通过使用位掩码来加快速度：

*((UInt64 *)pointer) &= 0xFFFFFF00FFFFFF00ul;