0.033秒的艺术 测试程序性能

这是一系列关于C#与游戏编程性能提示的文章，先来看看如何简单测试一段C#程序的性能。

 0.033秒的艺术 --- 测试程序性能

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    交互式的实时3D程序每秒至少渲染30帧图像，才能保证视觉上的平滑，这意味着所有渲染，AI，物理仿真都必须在0.033秒内完成。只有高度优化的代码和算法才能达到这样的要求。如何判断某个算法是否能满足要求，如何比较哪一种算法才是最优的呢？方法有很多，通过丢硬币，撒骰子或者凭感觉猜测等等，不过这些方法通常需要一点点运气的帮助。可惜我不是每天都能有那么好的运气，所以测试是我通常选择的方法。永远不要在测试结束之前作出任何结论。

         几乎所有的测试都以时间和空间代价为主要衡量标准。然而考虑到目前2G内存已经降到了130米以下的价格，所以这里我只关心时间。但是也不要忘了程序和数据所占的空间越小，越能获得缓存所带来的好处，提高命中率。如何来测量一段程序的执行时间呢？啊，你可能马上想到了System.Times和System.Windows.Forms名称空间下的Timer或许还有DateTime。可惜这些计时器的精度都不太理想，通常几十毫秒才更新一次。我们需要高精度的时钟，这将用到2个win32 API：

QueryPerformanceCounter()   这个函数返回硬件支持的高精度计时器的值。
QueryPerformanceFrequency()   返回硬件计时器的频率。

         通过直接访问硬件，这是一个精度非常高的时钟，可以把它的返回值想象为CPU的晶震数和晶振频率。在测试开始和结束的时候，分别查询一次计时器的值，最后相减除以计时器的频率，就能得到精确的时间间隔，以秒为单位，当然，可以进一步转换为任何你觉得方便的单位。可以说目前绝大部分3D游戏的计时系统都是以这2个函数为基础。为了在C#下使用他们，需要通过P/Invoke导入这这两个函数。好了，现在可以这样来测试一段程序的性能:

class Test 
{ 
    [System.Runtime.InteropServices.DllImport("Kernel32.dll")] 
    private static extern bool QueryPerformanceCounter(out long lpPerformanceCount); 
    [System.Runtime.InteropServices.DllImport("Kernel32.dll")] 
    private static extern bool QueryPerformanceFrequency(out long lpFrequency); 

    static void Main(string[] args) 
    { 
       long startTime, endTime, freq; 
       QueryPerformanceFrequency(out freq); 
       QueryPerformanceCounter(out startTime); 

    //Do your test here 

       QueryPerformanceCounter(out endTime);             
       Console.WriteLine("frequency: {0:n0}", freq); 
       Console.WriteLine("time: {0:n5}s", (endTime - startTime)/(double)freq); 
       Console.Read(); 
    } 
} 

   也许是这样的代码太过普通和频繁，.net 2.0中，加入了对这个高精度计时器的支持。不再需要P/Invoke，只需记住System.Diagnostics.Stopwatch。现在可以把上面的代码简化为：

class TestClass 
{ 
    static void Main(String[] args) 
    { 
        Stopwatch timer = new Stopwatch(); 
        timer.Start(); 
        //Do your test here 
        timer.Stop(); 
        Console.WriteLine(timer.ElapsedMilliseconds.ToString()); 
    } 
} 

      简单多了不是吗。但这段程序还不够好，测试代码之前的代码可能产生了很多垃圾，而当你开始测试时，垃圾回收发生了，显然，这是不是我们所希望的。虽然我们不能控制GC精确的执行时间，但可以把GC对测试代码的影响减小到最低程度：

class TestClass 
{ 
    static void Main(String[] args) 
    { 
       Stopwatch timer = new Stopwatch(); 
       // initialize your code here 
        
       GC.Collect(2); 
       GC.WaitForPendingFinalizers(); 
       GC.Collect(2); 
       GC.WaitForPendingFinalizers(); 

        timer.Start(); 
        //Do your test here 
        timer.Stop(); 

        Console.WriteLine(timer.ElapsedMilliseconds.ToString()); 
    } 
} 

测试之前强制垃圾回收。WaitForPendingFinalizers()将会挂起当前线程，直到GC完全结束。注意，这里强制进行了2次垃圾回收。如果你对垃圾回收有所了解的话，那么应该知道当GC发现一个对象有Finalize()方法时，会先调用Finalize()，然后到下一次GC发生时才回收这个对象，我们确保在测试之前所有垃圾都已经回收释放了。

         好了，现在我们有了一个简单实用的测试模板，不过还有几点忠告是在测试时必须记住的 :
1. 在测试结束之前永远不要下结论
2. 在测试之前，至少执行一次测试代码。比如你的测试代码是Test()，那么在timer.start()前至少执行一次Test()，排除JIT对测试结果的影响。
3. 多运行几次程序，取平均值作为测试结果
4. 不要在Debug模式下执行测试
5. 不要在测试代码中输出测试信息，Console是相对较慢的操作。
6. 不同的CLR和编译器版本下的测试结果可能会不同。
以上忠告都来自好心的Tobias Hertkorm
         
         现在你已经成为性能分析大师了。不要再到论坛上问究竟是for还是foreach快这样的问题了，自己动手试试吧。当然，如果你比我还懒，那么下次来看我对for和foreach的分析结果吧 :)