for循环迭代变量的复用

Question

我看到很多关于是在 for 循环作用域内部还是外部声明变量的问题。对此进行了详细讨论，例如 here, here, and here。答案是绝对没有性能差异（相同的 IL），但为了清楚起见，最好在最严格的范围内声明变量。

我对稍微不同的情况感到好奇：

int i;

for (i = 0; i < 10; i++) {
    Console.WriteLine(i);
}

for (i = 0; i < 10; i++) {
    Console.WriteLine(i);
}

对比

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    Console.WriteLine(i);
}

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    Console.WriteLine(i);
}

我希望这两种方法在发布模式下都能编译成相同的 IL。然而，这种情况并非如此。我将为您提供完整的 IL，并指出不同之处。第一种方法有一个本地：

.locals init (
    [0] int32 i
)

而第二个只有两个局部变量，每个 for 循环计数器一个：

.locals init (
    [0] int32 i,
    [1] int32 i
)

所以这两者之间有一个没有被优化掉的区别，这让我很惊讶。

为什么我会看到这个，这两种方法之间是否真的存在性能差异？

Answer 1

为了回答您的问题，您实际上在第一种情况下声明了一个局部变量，在第二种情况下声明了两个局部变量。 C# 编译器显然不重用局部变量，尽管我认为这样做是允许的。我的猜测是，这不是值得编写复杂分析来处理的性能提升，如果 JIT 足够智能，无论如何都可以处理它，甚至可能没有用。但是，您期望看到的优化已经完成，只是不在 IL 级别。它由 JIT 编译器在发出的机器代码中完成。

这是一个足够简单的案例，检查发出的机器代码实际上可以提供信息。总结是这两种方法将 JIT 编译为相同的机器代码（x86 如下所示，但 x64 机器代码也相同）因此使用较少的局部变量不会带来性能提升。

关于条件的快速说明，我将这两个片段放入不同的方法中。然后我查看了 Visual Studio 2015 年的反汇编，使用 .NET 4.6.1 运行时、x86 发布构建（即优化）并在 JIT 编译后附加调试器方法（至少在没有附加调试器的情况下调用）。我禁用了方法内联以保持两种方法之间的一致性。要查看反汇编，请在所需方法中放置一个断点，附加，转到调试 > Windows > 反汇编。按 F5 到运行断点。

废话不多说，第一种方法反汇编为

            for (i = 0; i < 10; i++)
010204A2  in          al,dx  
010204A3  push        esi  
010204A4  xor         esi,esi  
            {
                Console.WriteLine(i);
010204A6  mov         ecx,esi  
010204A8  call        71686C0C  
            for (i = 0; i < 10; i++)
010204AD  inc         esi  
010204AE  cmp         esi,0Ah  
010204B1  jl          010204A6  
            }

            for (i = 0; i < 10; i++)
010204B3  xor         esi,esi  
            {
                Console.WriteLine(i);
010204B5  mov         ecx,esi  
010204B7  call        71686C0C  
            for (i = 0; i < 10; i++)
010204BC  inc         esi  
010204BD  cmp         esi,0Ah  
010204C0  jl          010204B5  
010204C2  pop         esi  
010204C3  pop         ebp  
010204C4  ret

第二种方法反汇编为

            for (int i = 0; i < 10; i++)
010204DA  in          al,dx  
010204DB  push        esi  
010204DC  xor         esi,esi  
            {
                Console.WriteLine(i);
010204DE  mov         ecx,esi  
010204E0  call        71686C0C  
            for (int i = 0; i < 10; i++)
010204E5  inc         esi  
010204E6  cmp         esi,0Ah  
010204E9  jl          010204DE  
            }

            for (int i = 0; i < 10; i++)
010204EB  xor         esi,esi  
            {
                Console.WriteLine(i);
010204ED  mov         ecx,esi  
010204EF  call        71686C0C  
            for (int i = 0; i < 10; i++)
010204F4  inc         esi  
010204F5  cmp         esi,0Ah  
010204F8  jl          010204ED  
010204FA  pop         esi  
010204FB  pop         ebp  
010204FC  ret

如您所见，除了相应跳转的不同偏移量外，代码是相同的。

这些方法非常简单，因此跟踪循环计数器的工作是通过 esi 寄存器完成的。

留作 reader 在 x64 中验证的练习。

Answer 2

只是为上面的详细答案添加一些内容。 C# 编译器很少进行优化，例如连接字符串文字 ("a" + "b") 和计算常量。因此，查看 C# 编译器生成的 IL 进行优化是毫无意义的。相反，您应该查看 JIT 编译器生成的汇编器。

构建参数也可以抑制 JIT 优化。因此，请确保您设置了发布构建模式并清除了 VS 调试选项

中的 "Suppress JIT optimization on module load" 标志

Answer 3

作为对现有答案的补充，请注意，将两个变量合并为一个变量实际上可能损害性能，具体取决于 JIT 编译器能够推断出的信息。

如果 JIT 编译器发现两个生命周期不重叠的变量，免费为两者使用相同的位置（通常是寄存器）。但如果 JIT 编译器看到单个变量，则需要使用相同的位置。或者，更准确地说，需要在整个生命周期内保持变量的值。

在您的特定情况下，这意味着在第一个循环结束后和第二个循环开始之前，编译器不能丢弃变量的值并将该位置重新用于其他目的。

但即使使用单个 IL 变量，也没有给出 JIT 编译器实际上将其视为单个变量的情况。聪明的编译器可以看到，当代码离开第一个循环时，变量在被覆盖之前不会被再次读取。所以它可以把单个 IL 变量当作两个，并丢弃循环之间的值。

总结一下：

对于不分析变量生命周期的愚蠢编译器，一个变量优于两个变量。
对于一个体面的编译器，可以分析变量的生命周期但不能拆分变量，两个变量比一个更好。
聪明的编译器，能分析变量的生命周期，还能拆分变量，没关系。

JIT 编译器是#2 或#3，因此在 IL 中使用两个变量是有意义的。

for循环迭代变量的复用

Reuse of for loop iteration variable

c#

.net

performance

cil