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1）。var bitValue = (byteValue & (1 << bitNumber)) != 0;

2）。使用方法System.Collections.BitArray_Get(int index)

  • 什么更快？
  • 在 .NET 项目的哪些情况下，BitArray可能比与按位移位的简单结合更有用？
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4 回答 4

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@乔纳森·莱因哈特，

不幸的是，您的基准没有定论。它没有考虑可能的延迟加载、缓存和/或预取（由 CPU、主机操作系统和/或 .NET 运行时）的影响。

打乱测试的顺序（或多次调用测试方法），您可能会注意到不同的时间测量。

我使用“任何 CPU”平台目标和 .NET 4.0 客户端配置文件构建了您的原始基准测试，并在我的具有 i7-3770 CPU 和 64 位 Windows 7 的机器上运行。

我得到的是这个：

Testing with 10000000 operations:
   A UInt32 bitfield took 484 ms.
   A BitArray (32) took 459 ms.
   A List<bool>(32) took 393 ms.

这与您的观察几乎一致。

但是，在 UInt32 测试之前执行 BitArray 测试会产生以下结果：

Testing with 10000000 operations:
   A BitArray (32) took 513 ms.
   A UInt32 bitfield took 456 ms.
   A List<bool>(32) took 417 ms.

通过查看 UInt32 和 BitArray 测试的时间，您会注意到测量的时间似乎与测试本身无关，而是与测试运行的顺序有关。

为了至少稍微减轻这些副作用，我在每个程序运行中执行了两次测试方法，结果如下。

测试命令UInt32, BitArray, BoolArray, UInt32, BitArray, BoolArray :

Testing with 10000000 operations:
   A UInt32 bitfield took 476 ms.
   A BitArray (32) took 448 ms.
   A List<bool>(32) took 367 ms.

   A UInt32 bitfield took 419 ms.  <<-- Watch this.
   A BitArray (32) took 444 ms.    <<-- Watch this.
   A List<bool>(32) took 388 ms.

测试顺序BitArray, UInt32, BoolArray, BitArray, UInt32, BoolArray :

Testing with 10000000 operations:
   A BitArray (32) took 514 ms.
   A UInt32 bitfield took 413 ms.
   A List<bool>(32) took 379 ms.

   A BitArray (32) took 444 ms.    <<-- Watch this.
   A UInt32 bitfield took 413 ms.  <<-- Watch this.
   A List<bool>(32) took 381 ms.

查看测试方法的第二次调用，似乎至少在具有最新 .NET 运行时的 i7 CPU 上，UInt32 测试比 BitArray 测试快，而 BoolArray 测试仍然是最快的。

（我很抱歉我不得不写下我对 Jonathon 基准的回复作为答案，但作为一个新的 SO 用户，我不允许发表评论......）

编辑：

您可以尝试在调用第一个测试之前放置一个 Thread.Sleep(5000) 或类似的东西，而不是打乱测试方法的顺序......

此外，原始测试似乎使 UInt32 测试处于不利地位，因为它包括一个边界检查“ if (bitnum < 0 || bitnum > 31) ”，它被执行了 3000 万次。其他两个测试都不包括这样的边界检查。然而，这实际上并不是全部真相，因为 BitArray 和 bool 数组都在内部进行边界检查。

虽然我没有测试，但我希望消除边界检查将使 UInt32 和 BoolArray 测试的性能相似，但这对于公共 API 来说不是一个好的提议。

于 2013-09-26T12:12:41.057 回答
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BitArray将能够处理任意数量的布尔值，而 abyte将仅容纳 8、int仅 32 等。这将是两者之间的最大区别。

此外，BitArrayimplements IEnumerable，其中整数类型显然没有。所以这一切都取决于你的项目的要求；如果您需要IEnumerable类似或数组的接口，请使用BitArray.

我实际上会使用bool[]任何一种解决方案，只是因为它更明确地说明了您要跟踪的数据类型。吨

BitArrayorbitfield将使用大约 1/8 的空间，bool[]因为它们将 8 个布尔值“打包”到一个字节中，而 abool本身将占用整个 8 位字节。使用位域的空间优势或在BitArray您存储大量. bools（数学留给读者:-)）

基准

结果：对于我的原始测试环境，它似乎要BitArray快一些，但与使用整数类型自己做的数量级相同。还测试了 a bool[]，不出所料，它是最快的。访问内存中的单个字节将比访问不同字节中的单个位复杂。

Testing with 10000000 operations:
   A UInt32 bitfield took 808 ms.
   A BitArray (32) took 574 ms.
   A List<bool>(32) took 436 ms.

代码：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Random r = new Random();
        r.Next(1000);

        const int N = 10000000;

        Console.WriteLine("Testing with {0} operations:", N);

        Console.WriteLine("   A UInt32 bitfield took {0} ms.", TestBitField(r, N));
        Console.WriteLine("   A BitArray (32) took {0} ms.", TestBitArray(r, N));
        Console.WriteLine("   A List<bool>(32) took {0} ms.", TestBoolArray(r, N));

        Console.Read();
    }


    static long TestBitField(Random r, int n)
    {
        UInt32 bitfield = 0;

        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < n; i++) {

            SetBit(ref bitfield, r.Next(32), true);
            bool b = GetBit(bitfield, r.Next(32));
            SetBit(ref bitfield, r.Next(32), b);
        }
        sw.Stop();
        return sw.ElapsedMilliseconds;
    }

    static bool GetBit(UInt32 x, int bitnum) {
        if (bitnum < 0 || bitnum > 31)
            throw new ArgumentOutOfRangeException("Invalid bit number");

        return (x & (1 << bitnum)) != 0;
    }

    static void SetBit(ref UInt32 x, int bitnum, bool val)
    {
        if (bitnum < 0 || bitnum > 31)
            throw new ArgumentOutOfRangeException("Invalid bit number");

        if (val)
            x |= (UInt32)(1 << bitnum);
        else
            x &= ~(UInt32)(1 << bitnum);
    }



    static long TestBitArray(Random r, int n)
    {
        BitArray b = new BitArray(32, false);     // 40 bytes

        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < n; i++) {

            b.Set(r.Next(32), true);
            bool v = b.Get(r.Next(32));
            b.Set(r.Next(32), v);
        }
        sw.Stop();
        return sw.ElapsedMilliseconds;
    }



    static long TestBoolArray(Random r, int n)
    {
        bool[] ba = new bool[32];

        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < n; i++) {

            ba[r.Next(32)] = true;
            bool v = ba[r.Next(32)];
            ba[r.Next(32)] = v;
        }
        sw.Stop();
        return sw.ElapsedMilliseconds;
    }
}
于 2013-05-09T21:54:27.707 回答
0

如果有人仍在寻找一些足够快的不同解决方案：我建议在 GetBit 和 SetBit 方法上使用积极的内联 [MethodImpl(256)]。还具有位位置的 OR 和 XOR 值的查找表。删除位位置检查，因为 System.IndexOutOfRangeException 足以指示位位置错误，我们不需要消耗 CPU 进行额外检查。此外，如果对大量元素执行此操作并进行调试，强烈建议使用 [DebuggerHidden] 属性。DebuggerHidden 属性帮助调试器跳过使用此属性标记的方法的调试并加快调试过程。

使用Jonathon Reinhart 答案中的代码，并为 TestBitFieldOpt 和 TestBitFieldOpt2 添加此方法和测试。

    static readonly uint[] BITMASK = new uint[]
    {
        0x00000001, 0x00000002, 0x00000004, 0x00000008, 0x00000010, 0x00000020, 0x00000040, 0x00000080,
        0x00000100, 0x00000200, 0x00000400, 0x00000800, 0x00001000, 0x00002000, 0x00004000, 0x00008000,
        0x00010000, 0x00020000, 0x00040000, 0x00080000, 0x00100000, 0x00200000, 0x00400000, 0x00800000,
        0x01000000, 0x02000000, 0x04000000, 0x08000000, 0x10000000, 0x20000000, 0x40000000, 0x80000000
    };

    static readonly uint[] BITMASK_XOR = new uint[]
    {
        0xFFFFFFFE, 0xFFFFFFFD, 0xFFFFFFFB, 0xFFFFFFF7, 0xFFFFFFEF, 0xFFFFFFDF, 0xFFFFFFBF, 0xFFFFFF7F,
        0xFFFFFEFF, 0xFFFFFDFF, 0xFFFFFBFF, 0xFFFFF7FF, 0xFFFFEFFF, 0xFFFFDFFF, 0xFFFFBFFF, 0xFFFF7FFF,
        0xFFFEFFFF, 0xFFFDFFFF, 0xFFFBFFFF, 0xFFF7FFFF, 0xFFEFFFFF, 0xFFDFFFFF, 0xFFBFFFFF, 0xFF7FFFFF,
        0xFEFFFFFF, 0xFDFFFFFF, 0xFBFFFFFF, 0xF7FFFFFF, 0xEFFFFFFF, 0xDFFFFFFF, 0xBFFFFFFF, 0x7FFFFFFF
    };

    static long TestBitFieldOpt(Random r, int n)
    {
        bool value;
        UInt32 bitfield = 0;
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < n; i++)
        {
            SetBitOpt(ref bitfield, r.Next(32), true);
            value = GetBitOpt(bitfield, r.Next(32));
            SetBitOpt(ref bitfield, r.Next(32), value);
        }
        sw.Stop();
        return sw.ElapsedMilliseconds;
    }

    static long TestBitFieldOpt2(Random r, int n)
    {
        bool value;
        UInt32 bitfield = 0;
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < n; i++)
        {
            bitfield = SetBitOpt2(bitfield, r.Next(32), true);
            value = GetBitOpt(bitfield, r.Next(32));
            bitfield = SetBitOpt2(bitfield, r.Next(32), value);
        }
        sw.Stop();
        return sw.ElapsedMilliseconds;
    }

    [MethodImpl(256)]
    static bool GetBitOpt(UInt32 bitfield, int bitindex)
    {
        return (bitfield & BITMASK[bitindex]) != 0;
    }

    [MethodImpl(256)]
    static void SetBitOpt(ref UInt32 bitfield, int bitindex, bool value)
    {
        if (value)
            bitfield |= BITMASK[bitindex];
        else
            bitfield &= BITMASK_XOR[bitindex];
    }

    [MethodImpl(256)]
    static UInt32 SetBitOpt2(UInt32 bitfield, int bitindex, bool value)
    {
        if (value)
            return (bitfield | BITMASK[bitindex]);
        return (bitfield & BITMASK_XOR[bitindex]);
    }

我将测试次数增加了 10 次方（以获得更真实的结果），优化代码的结果非常接近最快的方法：

    Testing with 100000000 operations:
    A BitArray (32) took      : 4947 ms.
    A UInt32 bitfield took    : 4399 ms.
    A UInt32 bitfieldopt      : 3583 ms.
    A UInt32 bitfieldopt2     : 3583 ms.
    A List<bool>(32) took     : 3491 ms.

通常，本地堆栈上的变量更少，分支更少，并且在大多数情况下都是预先计算的值。所以拿起书和铅笔并缩短数学以减少那些......真正的内联函数有很大帮助，但更好地在方法上使用 [MethodImpl(256)] 属性以提高可读性/保持源代码，如上所示.

希望这可以帮助某人找到解决他的问题的方法。

于 2021-07-21T09:10:23.080 回答
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将 BitArray 用于以 List 表示时适合缓存的数据对性能没有意义。

所展示的基准测试指出了一个明显的问题：由于缺乏计算要求，布尔列表将比位数组执行得更快。

然而，这些测试的最大问题是它们运行在一个大小为 32 的数组上。这意味着整个数组都适合缓存。当您开始进行大量内存提取时，处理大量布尔值的成本就会显现出来。

与包含 5000 项的列表相比，包含 5000 项的 BitArray 的性能将大不相同。List 将需要比 BitArray 多 8 倍的内存读取。

根据您的其余逻辑（您正在执行多少分支和其他操作），差异可能很小或很大。内存预取允许 CPU 将下一个预测的内存块拉入缓存，同时仍在处理第一个块。如果您正在对数据结构进行干净的直接迭代，您可能看不到显着的性能差异。另一方面，如果您正在执行一些使 CPU 难以预测内存获取的分支或操作，您更有可能看到性能差异。

此外，如果您开始谈论 MULTIPLE Data Structures，事情就会变得更加模糊。如果您的代码依赖于对 100 个不同位数组的引用怎么办？好的，现在我们正在讨论更多的数据，即使 BitArrays 本身很小，并且您将四处跳转以访问不同的 BitArrays，因此访问模式会影响事物。

如果不对您的特定算法/场景进行基准测试，就不可能知道真实的行为。

于 2021-06-13T03:20:23.840 回答