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当我偶然发现这种奇怪的性能下降时，我正在玩一个简单的“游戏”来测试面向数据设计的不同方面。

我有这个结构来存储游戏船的数据：

constexpr int MAX_ENEMY_SHIPS = 4000000;
struct Ships
{
    int32_t count;
    v2 pos[MAX_ENEMY_SHIPS];
    ShipMovement movements[MAX_ENEMY_SHIPS];
    ShipDrawing drawings[MAX_ENEMY_SHIPS];
    //ShipOtherData other[MAX_ENEMY_SHIPS]; 

    void Add(Ship ship)
    {
        pos[count] = ship.pos;
        movements[count] = { ship.dir, ship.speed };  
        drawings[count] = { ship.size, ship.color };
        //other[count] = { ship.a, ship.b, ship.c, ship.d };
        count++;
    }
};

然后我有一个更新运动数据的功能：

void MoveShips(v2* positions, ShipMovement* movements, int count)
{
    ScopeBenchmark bench("Move Ships");
    for(int i = 0; i < count; ++i)
    {
        positions[i] = positions[i] + (movements[i].dir * movements[i].speed);
    }
}

我的理解是，由于 MoveShips 函数仅使用位置和运动数组，因此 Ships 结构中的额外内存不会影响其性能。但是，当我取消注释 Ships 结构上的注释行时，性能会下降很多。使用 MAX_ENEMY_SHIPS 的当前值，我的计算机中 MoveShips 函数的持续时间从 10-11 毫秒变为 200-210 毫秒。

在这里，我举一个最小的、可重现的例子：

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>
#include <chrono>
#include <string>

class ScopeBenchmark
{
public:
    ScopeBenchmark(std::string text)
        : text(text)
    {
        begin = std::chrono::steady_clock::now();
    }

    ~ScopeBenchmark()
    {
        std::chrono::steady_clock::time_point end = std::chrono::steady_clock::now();
        printf("%s: %lli\n", text.data(), std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - begin).count());
    }

private:
    std::string text;
    std::chrono::steady_clock::time_point begin;

};

constexpr int32_t Color(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b)
{
    return (r << 16) | (g << 8) | b;
}

struct v2
{
    float x;
    float y;
};

inline v2 operator+(v2 a, v2 b)
{
    v2 result;
    result.x = a.x + b.x;
    result.y = a.y + b.y;
    return result;
}

inline v2 operator*(v2 a, float b)
{
    v2 result;
    result.x = a.x * b;
    result.y = a.y * b;
    return result;
}

//----------------------------------------------------------------------

struct Ship
{
    v2 pos;
    v2 size;
    v2 dir;
    float speed;
    int32_t color;

    v2 a;
    v2 b;
    v2 c;
    v2 d;
};

struct ShipMovement
{
    v2 dir;
    float speed;
};

struct ShipDrawing
{
    v2 size;
    int32_t color;
};

struct ShipOtherData
{
    v2 a;
    v2 b;
    v2 c;
    v2 d;
};

constexpr int MAX_ENEMY_SHIPS = 4000000;
struct Ships
{
    int32_t count;
    v2 pos[MAX_ENEMY_SHIPS];
    ShipMovement movements[MAX_ENEMY_SHIPS];
    ShipDrawing drawings[MAX_ENEMY_SHIPS];
    //ShipOtherData other[MAX_ENEMY_SHIPS]; 

    void Add(Ship ship)
    {
        pos[count] = ship.pos;
        movements[count] = { ship.dir, ship.speed };  
        drawings[count] = { ship.size, ship.color };
        //other[count] = { ship.a, ship.b, ship.c, ship.d };
        count++;
    }
};

void MoveShips(v2* positions, ShipMovement* movements, int count)
{
    ScopeBenchmark bench("Move Ships");
    for(int i = 0; i < count; ++i)
    {
        positions[i] = positions[i] + (movements[i].dir * movements[i].speed);
    }
}

struct Game
{
    int32_t playerShipIndex;
    Ships ships;
};

void InitGame(void* gameMemory)
{
    Game* game = (Game*)gameMemory;
    
    Ship ship;
    ship.pos = { 0.0f, 0.0f };
    ship.size = { 100.0f, 100.0f };
    ship.speed = 1.0f;
    ship.color = Color(64, 192, 32);
    game->ships.Add(ship);
    game->playerShipIndex = 0;

    ship.speed *= 0.5f;
    ship.dir.x = -1.0f;
    ship.size = { 50.0f, 50.0f };
    ship.color = Color(192, 64, 32);

    for(int i = 0; i < MAX_ENEMY_SHIPS; i++)
    {
        ship.pos = { 500.0f, 350.0f };
        game->ships.Add(ship);
    }
}


int main()
{
    Game* game = (Game*)malloc(sizeof(Game));  
    memset(game, 0, sizeof(Game));
    
    InitGame(game);
    while (true)
    {
        MoveShips(game->ships.pos, game->ships.movements, game->ships.count);
    }
}

我使用 Visual Studio 编译器，并使用以下命令编译文件：

cl.exe /O2 /GL src/Game.cpp

所以，我的问题是：为什么在添加未使用的内存时，MoveShips 功能的性能下降如此之快？

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1 回答 1

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问题是您在函数调用中传递了未初始化的数据game->ships.Add(ship)。这会导致未定义的行为。

在第一个函数调用中，ship.dir.x和ship.dir.y都未初始化。在所有进一步的函数调用中，ship.dir.y未初始化。

ship.dir.y如果碰巧包含代表非规范化浮点值的垃圾数据，这可能会对性能产生特别负面的影响。有关详细信息，请参阅此问题。

我能够重现您的问题，并且我的测试表明这是您的性能下降的原因。通过将变量初始化为ship.dir.y归一化的浮点值，我能够可靠地将性能提高 45 倍（！）。

我认为您的问题与您struct通过取消注释两行代码来增加您的大小没有任何关系。尽管评论部分已经建议这可能会导致您的程序由于交换空间的使用而变慢，但我的测试表明这对您的情况没有显着的性能影响。将内存分配的总大小增加到 256 MB 通常不会有问题，除非您使用的是内存非常少的计算机。因此，我相信您观察到当您取消注释这两行代码时性能会显着下降只是一个巧合。

我的猜测是地址空间布局随机化(ASLR) 会导致您在每次运行程序时获得不同的垃圾值，因此它们有时代表非规范化的浮点值，有时则不是。至少这是我在测试期间所经历的：在激活 ASLR 的情况下，我有时会得到一个非规范化的值，有时会得到一个规范化的值。但是，在禁用 ALSR 的情况下（使用/DYNAMICBASE:NOMS Visual Studio 中的链接器选项），我总是得到一个非规范化的值，而不是一个规范化的值。

如果您确定取消注释代码的观察结果并非巧合，而是一致的，那么最可能的解释是取消注释代码会导致您收到不同的垃圾值，这些值恰好总是代表非规范化浮点价值。

因此，为了解决您的问题，您所要做的就是确保ship.dir.x并ship.dir.y在将它们传递给函数之前正确初始化。

此外，虽然这可能不是您的问题的原因，但重要的是要指出您正在写入struct Ships超出范围的所有 4 个数组。您正在game->ships.Add(ship)准确地调用该函数MAX_ENEMY_SHIPS + 1，一次在循环外，一次在循环MAX_ENEMY_SHIPS内。因此，您将每个数组的边界恰好传递一个元素。这也会导致未定义的行为。

于 2020-08-08T18:50:47.703 回答