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如何在C#中快速将二维数组转换为一维数组？

2024-03-05

我有一个多维的double[,]数组，其大小为 [1,N]（假设 N 已知）。将其转换为一维的最快方法是什么double[]长度为 N 的数组？

我是 C# 新手，我用它与 Matlab 函数交互。我使用的 Matlab 函数返回一个一维行向量。在 C# 中，它被视为object[,]我只能把它投射到double[,]。但是，我需要它的类型double[]作为另一个函数的输入。有没有一种快速方法可以将此二维双精度数组转换为具有相同元素和相同顺序的一维数组？

由于我正在开发实时应用程序，因此我需要尽可能快地进行转换。


最快的方法是直接内存复制方法之一，例如Buffer.BlockCopy https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.buffer.blockcopy?view=netframework-4.7.2, or Marshal.Copy https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.runtime.interopservices.marshal.copy?view=netframework-4.7.2.

Example

var ary1 = new int[3,3];
ary1[0, 0] = 0;
ary1[0, 1] = 1;
ary1[0, 2] = 2;
ary1[1, 0] = 3;
ary1[1, 1] = 4;
ary1[1, 2] = 5;
ary1[2, 0] = 6;
ary1[2, 1] = 7;
ary1[2, 2] = 8;

var ary2 = new int[9];

Buffer.BlockCopy(ary1, 0, ary2, 0, 9 * sizeof(int));

Console.WriteLine(string.Join(",", ary2));

Output

0,1,2,3,4,5,6,7,8

你也可以使用memcpy，但是您将承担 PInvoke 的初始开销

[DllImport("msvcrt.dll", EntryPoint = "memcpy", CallingConvention = CallingConvention.Cdecl, SetLastError = false)]
public static extern IntPtr memcpy(IntPtr dest, IntPtr src, UIntPtr count);

基准测试

基准测试运行 100 次，每次运行后收集垃圾，并相互验证准确性，结果是从前 75% 的禁食运行中整理出来的，比例是多维数组的维度长度，即double[scale,scale]

┌──────────────────┬────────────────────────────────────────────┐
│        Test Mode │ Release (64Bit)                            │
│   Test Framework │ .NET Framework 4.7.1 (CLR 4.0.30319.42000) │
╞══════════════════╪════════════════════════════════════════════╡
│ Operating System │ Microsoft Windows 10 Pro                   │
│          Version │ 10.0.17763                                 │
├──────────────────┼────────────────────────────────────────────┤
│       CPU System │ Intel(R) Core(TM) i7-7700 CPU @ 3.60GHz    │
│  CPU Description │ Intel64 Family 6 Model 158 Stepping 9      │
├──────────────────┼──────────┬──────────────────┬──────────────┤
│  Cores (Threads) │ 4 (8)    │     Architecture │ x64          │
│      Clock Speed │ 3600 MHz │        Bus Speed │ 100 MHz      │
│          L2Cache │ 1 MB     │          L3Cache │ 8 MB         │
└──────────────────┴──────────┴──────────────────┴──────────────┘

字节数组的结果 

┌── Standard input ──────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Value           │    Average │    Fastest │    Cycles │ Garbage │ Test │          Gain │
├── Scale 256 ────────────────────────────────────────────────────────────── 0.628 sec ──┤
│ MarshalCopy     │   6.450 µs │   4.300 µs │  26.698 K │ 0.000 B │ Pass │       24.21 % │
│ memcpy          │   7.992 µs │   4.700 µs │  32.758 K │ 0.000 B │ Pass │        6.09 % │
│ BlockCopy       │   8.511 µs │   4.600 µs │  37.053 K │ 0.000 B │ Base │        0.00 % │
│ ElemCopy Unsafe │  26.124 µs │  24.400 µs │  97.794 K │ 0.000 B │ Pass │     -206.96 % │
│ ElemCopy        │  75.426 µs │  72.300 µs │ 273.201 K │ 0.000 B │ Pass │     -786.27 % │
│ Linq            │   7.619 ms │   7.078 ms │  27.103 M │ 0.000 B │ Pass │  -89,429.16 % │
├── Scale 512 ────────────────────────────────────────────────────────────── 1.826 sec ──┤
│ MarshalCopy     │  17.939 µs │  17.300 µs │  68.142 K │ 0.000 B │ Pass │        1.33 % │
│ BlockCopy       │  18.182 µs │  17.300 µs │  69.770 K │ 0.000 B │ Base │        0.00 % │
│ memcpy          │  25.897 µs │  19.200 µs │  97.357 K │ 0.000 B │ Pass │      -42.44 % │
│ ElemCopy Unsafe │ 128.776 µs │ 102.400 µs │ 471.381 K │ 0.000 B │ Pass │     -608.28 % │
│ ElemCopy        │ 293.237 µs │ 285.400 µs │   1.055 M │ 0.000 B │ Pass │   -1,512.82 % │
│ Linq            │  31.057 ms │  29.750 ms │ 110.869 M │ 0.000 B │ Pass │ -170,714.99 % │
├── Scale 1,024 ──────────────────────────────────────────────────────────── 6.579 sec ──┤
│ memcpy          │ 268.747 µs │ 255.600 µs │ 972.409 K │ 0.000 B │ Pass │       12.28 % │
│ BlockCopy       │ 306.371 µs │ 291.500 µs │   1.104 M │ 0.000 B │ Base │        0.00 % │
│ MarshalCopy     │ 307.868 µs │ 293.100 µs │   1.111 M │ 0.000 B │ Pass │       -0.49 % │
│ ElemCopy Unsafe │ 583.684 µs │ 561.100 µs │   2.103 M │ 0.000 B │ Pass │      -90.52 % │
│ ElemCopy        │   1.325 ms │   1.305 ms │   4.768 M │ 0.000 B │ Pass │     -332.50 % │
│ Linq            │ 122.561 ms │ 120.700 ms │ 439.940 M │ 0.000 B │ Pass │  -39,904.01 % │
├── Scale 2,048 ─────────────────────────────────────────────────────────── 26.084 sec ──┤
│ memcpy          │   1.179 ms │   1.129 ms │   4.230 M │ 0.000 B │ Pass │       17.50 % │
│ MarshalCopy     │   1.397 ms │   1.346 ms │   5.029 M │ 0.000 B │ Pass │        2.25 % │
│ BlockCopy       │   1.429 ms │   1.360 ms │   5.135 M │ 0.000 B │ Base │        0.00 % │
│ ElemCopy Unsafe │   2.441 ms │   2.312 ms │   8.757 M │ 0.000 B │ Pass │      -70.88 % │
│ ElemCopy        │   5.466 ms │   5.264 ms │  19.587 M │ 0.000 B │ Pass │     -282.61 % │
│ Linq            │ 497.788 ms │ 489.885 ms │   1.786 B │ 0.000 B │ Pass │  -34,743.98 % │
├── Scale 4,096 ─────────────────────────────────────────────────────────── 42.833 sec ──┤
│ memcpy          │   5.218 ms │   4.889 ms │  18.633 M │ 0.000 B │ Pass │       15.45 % │
│ BlockCopy       │   6.172 ms │   5.887 ms │  22.141 M │ 0.000 B │ Base │        0.00 % │
│ MarshalCopy     │   6.255 ms │   5.871 ms │  22.350 M │ 0.000 B │ Pass │       -1.35 % │
│ ElemCopy Unsafe │   9.972 ms │   9.535 ms │  35.716 M │ 0.000 B │ Pass │      -61.57 % │
│ ElemCopy        │  22.149 ms │  21.741 ms │  79.508 M │ 0.000 B │ Pass │     -258.87 % │
│ Linq            │    1.969 s │    1.948 s │   7.067 B │ 0.000 B │ Pass │  -31,796.88 % │
└────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

双数组的结果 

┌── Standard input ─────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Value           │    Average │    Fastest │    Cycles │ Garbage │ Test │         Gain │
├── Scale 256 ───────────────────────────────────────────────────────────── 0.688 sec ──┤
│ BlockCopy       │  35.116 µs │  32.000 µs │ 131.112 K │ 0.000 B │ Base │       0.00 % │
│ MarshalCopy     │  43.879 µs │  34.900 µs │ 162.031 K │ 0.000 B │ Pass │     -24.96 % │
│ ElemCopy Unsafe │  44.182 µs │  39.500 µs │ 162.891 K │ 0.000 B │ Pass │     -25.82 % │
│ memcpy          │  60.113 µs │  58.200 µs │ 219.950 K │ 0.000 B │ Pass │     -71.19 % │
│ ElemCopy        │  94.418 µs │  86.100 µs │ 356.173 K │ 0.000 B │ Pass │    -168.88 % │
│ Linq            │   7.402 ms │   7.123 ms │  26.638 M │ 0.000 B │ Pass │ -20,979.54 % │
├── Scale 512 ───────────────────────────────────────────────────────────── 2.237 sec ──┤
│ memcpy          │ 612.603 µs │ 552.000 µs │   2.199 M │ 0.000 B │ Pass │      10.20 % │
│ ElemCopy Unsafe │ 641.013 µs │ 586.200 µs │   2.312 M │ 0.000 B │ Pass │       6.03 % │
│ MarshalCopy     │ 675.192 µs │ 621.200 µs │   2.434 M │ 0.000 B │ Pass │       1.02 % │
│ BlockCopy       │ 682.161 µs │ 622.700 µs │   2.458 M │ 0.000 B │ Base │       0.00 % │
│ ElemCopy        │ 745.692 µs │ 708.800 µs │   2.687 M │ 0.000 B │ Pass │      -9.31 % │
│ Linq            │  33.579 ms │  31.039 ms │ 119.974 M │ 0.000 B │ Pass │  -4,822.46 % │
├── Scale 1,024 ─────────────────────────────────────────────────────────── 7.830 sec ──┤
│ memcpy          │   2.708 ms │   2.488 ms │   9.712 M │ 0.000 B │ Pass │      20.63 % │
│ ElemCopy Unsafe │   3.156 ms │   2.789 ms │  11.324 M │ 0.000 B │ Pass │       7.51 % │
│ MarshalCopy     │   3.208 ms │   2.979 ms │  11.508 M │ 0.000 B │ Pass │       5.97 % │
│ ElemCopy        │   3.342 ms │   3.091 ms │  12.021 M │ 0.000 B │ Pass │       2.05 % │
│ BlockCopy       │   3.412 ms │   2.959 ms │  12.234 M │ 0.000 B │ Base │       0.00 % │
│ Linq            │ 125.854 ms │ 122.872 ms │ 451.735 M │ 0.000 B │ Pass │  -3,588.76 % │
├── Scale 2,048 ────────────────────────────────────────────────────────── 29.876 sec ──┤
│ memcpy          │  10.989 ms │  10.288 ms │  39.509 M │ 0.000 B │ Pass │      15.14 % │
│ ElemCopy Unsafe │  12.075 ms │  11.418 ms │  43.436 M │ 0.000 B │ Pass │       6.76 % │
│ BlockCopy       │  12.950 ms │  12.462 ms │  46.578 M │ 0.000 B │ Base │       0.00 % │
│ MarshalCopy     │  13.032 ms │  12.427 ms │  46.876 M │ 0.000 B │ Pass │      -0.64 % │
│ ElemCopy        │  13.469 ms │  12.689 ms │  48.471 M │ 0.000 B │ Pass │      -4.01 % │
│ Linq            │ 502.897 ms │ 497.335 ms │   1.805 B │ 0.000 B │ Pass │  -3,783.35 % │
├── Scale 4,096 ────────────────────────────────────────────────────────── 58.669 sec ──┤
│ memcpy          │  45.901 ms │  44.148 ms │ 164.750 M │ 0.000 B │ Pass │      15.80 % │
│ ElemCopy Unsafe │  51.889 ms │  50.497 ms │ 186.137 M │ 0.000 B │ Pass │       4.82 % │
│ MarshalCopy     │  53.237 ms │  51.847 ms │ 191.248 M │ 0.000 B │ Pass │       2.34 % │
│ BlockCopy       │  54.514 ms │  52.417 ms │ 195.778 M │ 0.000 B │ Base │       0.00 % │
│ ElemCopy        │  56.551 ms │  54.674 ms │ 203.163 M │ 0.000 B │ Pass │      -3.74 % │
│ Linq            │    2.004 s │    1.976 s │   7.192 B │ 0.000 B │ Pass │  -3,575.84 % │
└───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

测试代码 

[Test("BlockCopy", "", true)]
public double[] Test1(double[,] input, int scale)
{
   var width = input.GetLength(0);
   var height = input.GetLength(1);
   var size = width * height;
   var result = new double[size];
   Buffer.BlockCopy(input, 0, result, 0, size * sizeof(double));
   return result;
}

[Test("MarshalCopy", "", false)]
public unsafe double[] Test2(double[,] input, int scale)
{
   var width = input.GetLength(0);
   var height = input.GetLength(1);
   var size = width * height;
   var result = new double[size];
   fixed (double* pInput = input)
      Marshal.Copy((IntPtr)pInput, result, 0, size );
   return result;
}

[Test("ElemCopy", "", false)]
public double[] Test3(double[,] input, int scale)
{
   var width = input.GetLength(0);
   var height = input.GetLength(1);
   var size = width * height;

   var result = new double[size];
   for (var i = 0; i < width; i++)
      for (var j = 0; j < height; j++)
         result[i * height + j] = input[i,j];
   return result;
}
[Test("ElemCopy Unsafe", "", false)]
unsafe public double[] Test4(double[,] input, int scale)
{
   var width = input.GetLength(0);
   var height = input.GetLength(1);
   var size = width * height;

   var result = new double[size];
   fixed (double* pInput = input, pResult = result)
      for (var i = 0; i < width; i++)
         for (var j = 0; j < height; j++)
            *(pResult + i * height + j) = *(pInput + i * height + j);
   return result;
}
[Test("memcpy", "", false)]
unsafe public double[] Test5(double[,] input, int scale)
{
   var width = input.GetLength(0);
   var height = input.GetLength(1);
   var size = width * height;

   var result = new double[size];
   fixed (double* pInput = input, pResult = result)
      memcpy((IntPtr)pResult, (IntPtr)pInput, (UIntPtr)(size * sizeof(double)));
   return result;
}
[Test("Linq", "", false)]
unsafe public double[] Test6(double[,] input, int scale)
{
   return input.OfType<double>().ToArray();
}

Note : You should probably run these tests yourself on your own spec pcs, framework and such and should only be used as a guide

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c

Arrays

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