为何Avg()性能优于Sum()？基于BenchmarkDotnet的测试疑问

测试环境 #

• C# 11.0
• .NET 7.0
• BenchmarkDotNet 版本：0.13.5

测试代码 #

ReadOnlyMemory<float> readOnlyFloats;
ReadOnlyMemory<double> readOnlyDoubles;

[GlobalSetup]
public void Setup()
{
    var rand = new Random();
    var floats = Enumerable.Range(0, ArrayLength).Select(a => rand.NextSingle()).ToArray();
    var doubles = Enumerable.Range(0, ArrayLength).Select(a => rand.NextDouble()).ToArray();

    readOnlyFloats = floats;
    readOnlyDoubles = doubles;
}

[Benchmark]
public double Calc_WaveStatistic_Sum()
{
    return readOnlyFloats.Span.Sum();
}

[Benchmark]
public double Calc_WaveStatistic_Sum_Double()
{
    return readOnlyDoubles.Span.Sum();
}

[Benchmark]
public double Calc_WaveStatistic_Avg()
{
    return readOnlyFloats.Span.Avg();
}

[Benchmark]
public double Calc_WaveStatistic_Avg_Double()
{
    return readOnlyDoubles.Span.Avg();
}

扩展方法实现 #

public static double Sum(this ReadOnlySpan<float> values)
{
    double sum = 0;
    for (int i = 0; i < values.Length; i++)
        sum += values[i];
    return sum;
}

public static double Sum(this ReadOnlySpan<double> values)
{
    double sum = 0;
    for (int i = 0; i < values.Length; i++)
        sum += values[i];
    return sum;
}

public static double Avg(this ReadOnlySpan<float> values)
{
    return values.Sum() / values.Length;
}
    
public static double Avg(this ReadOnlySpan<double> values)    
{    
    return values.Sum() / values.Length;
}

疑问 #

按预期，Sum()方法应该比Avg()更快，因为Avg()在Sum()的基础上多执行了一次除法运算，但测试结果显示Avg()反而更快。请问这个结果是否正确？如果正确，原因是什么？

解答 #

这个结果是可能正确的，核心原因在于JIT编译器的优化行为：

• 返回值的精度优化差异：Sum()需要完整保留累加后的double精度，而Avg()的最终结果是总和除以长度，JIT可能会对浮点数运算顺序做调整，在累加过程中结合后续除法做精度妥协的优化，减少不必要的精度保留开销。
• 指令流水线的重叠利用：CPU的指令流水线可以在Sum()的累加循环收尾阶段，提前预准备除法操作，将除法计算与累加的最后几步重叠执行，整体缩短总耗时；而Sum()没有后续操作，无法触发这种并行优化。
• 寄存器分配优化：Avg()的运算逻辑需要将总和与长度做除法，JIT可能会在累加阶段就为后续除法预留合适的寄存器，避免额外的寄存器拷贝操作；而Sum()直接返回累加值，可能存在多余的寄存器存储步骤。
• 小数据量下的测量误差：如果ArrayLength较小，单次运算的耗时差异在微秒级别，BenchmarkDotNet的测量误差可能导致结果反常，但如果多次测试均稳定显示Avg()更快，那核心原因还是JIT优化。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Ramga