不安全的指针迭代和位图 - 为什么UINT64更快？

Question

我一直在做一些不安全的位图操作，发现增加指针的次数更少会导致一些巨大的性能改进。我不确定为什么这样做，即使您在循环中进行了更多的位操作，但最好在指针上进行更少的迭代效果还是更好。

因此，例如，用UINT32在两个像素上迭代32位像素超过32位像素，并在一个周期内进行两倍的操作。

以下方法是通过读取两个像素并修改它们来做到这一点（当然，它会以奇数宽度的图像失败，但仅用于测试）。

    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());

    }

以下代码通过像素来像素一样 慢约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());
    }

有人能否澄清为什么将指针比进行一些位操作更为昂贵？

我正在使用.NET 4框架。

对于C ++来说，这样的事情可以吗？

NB。 32位vs 64位这两种方法的比率相等，但是两种方式在64 vs 32位的速度慢20％？

编辑：正如Porges和Arul所建议的那样，这可能是由于记忆读数和开销的分支数量减少。

edit2：

经过一番测试，似乎从内存读取的时间更少的是答案：

使用此代码假设图像宽度可排除在5中，您可以更快地获得400％：

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

然后使用此：

            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;
            }

Answer 1

这是一种称为 循环展开。 主要的性能好处应来自减少分支开销。

附带说明，您可以使用BitMask加快速度：

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

Answer 2

这不是增加较慢的指针，而是从内存中读取的指针。有了32位单元，您的读数是读的两倍。

如果您在64位版本中编写一次而不是两次，则应该再次找到它。