512×512像素，每像素1000采样，C#版本渲染时间为40分47秒

最近有多篇讨论程序语言趋势的博文，其中谈及到C#的性能问题。本人之前未做过相关测试，自己的回覆流于理论猜测，所以花了点时间做个简单实验，比较C#和C++的性能。

实验内容

赵姐夫在此回覆认为，C#比C/C++慢，主要在于.Net平台的垃圾回收(garbage collection, GC)机制。若是计算密集型应用，C#和C++产生的原生代码，速度应该相差不大。我对此半信半疑。想到之前看过一个用99行C++代码实现的全局照明(global illumination, GI)渲染程序smallpt ，是纯计算密集的。而且在运算期间，若用C#实现，基本上连GC都可以不用。因此，就把该99行代码移植至C#。

此渲染器的一些特点如下:

  • 使用蒙地卡罗路径追踪(Monte Carlo path-tracing)来产生全局照明效果
  • 支持三种双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function, BRDF): 镜射(specular)、漫射(diffuse)和玻璃(即纯折射的介质)
  • 从漫射光源产生柔和阴影(soft shadow)
  • 使用2×2超采样(super-sampling)去实现反锯齿
  • 使用OpenMP作并行运算，充份利用多核性能

当中的术语及技术，之后可能会于图形学博文系列里探讨。本文主要以性能为题。

C++版本

以下是C++版本代码，作了些许修改。修改地方加上了MILO注译。

001 #include <math.h>   // smallpt, a Path Tracer by Kevin Beason, 2008
002 #include <stdlib.h> // Make : g++ -O3 -fopenmp smallpt.cpp -o smallpt
003 #include <stdio.h>  //        Remove "-fopenmp" for g++ version < 4.2
004 #include <time.h>     // MILO
005 #include "erand48.inc"  // MILO
006 #define M_PI 3.141592653589793238462643 // MILO
007 struct Vec { // Usage: time ./smallpt 5000 && xv image.ppm
008 double x, y, z; // position, also color (r,g,b)
009 Vec(double x_=0, double y_=0, double z_=0){ x=x_; y=y_; z=z_; }
010 Vec operator+(const Vec &b) const { return Vec(x+b.x,y+b.y,z+b.z); }
011 Vec operator-(const Vec &b) const { return Vec(x-b.x,y-b.y,z-b.z); }
012 Vec operator*(double b) const { return Vec(x*b,y*b,z*b); }
013 Vec mult(const Vec &b) const { return Vec(x*b.x,y*b.y,z*b.z); }
014 Vec& norm(){ return *this = *this * (1/sqrt(x*x+y*y+z*z)); }
015 double dot(const Vec &b) const { return x*b.x+y*b.y+z*b.z; } // cross:
016 Vec operator%(const Vec &b){return Vec(y*b.z-z*b.y,z*b.x-x*b.z,x*b.y-y*b.x);}
017 };
018 struct Ray { Vec o, d; Ray(const Vec &o_, const Vec &d_) : o(o_), d(d_) {} };
019 enum Refl_t { DIFF, SPEC, REFR }; // material types, used in radiance()
020 struct Sphere {
021 double rad; // radius
022 Vec p, e, c; // position, emission, color
023 Refl_t refl; // reflection type (DIFFuse, SPECular, REFRactive)
024 Sphere(double rad_, Vec p_, Vec e_, Vec c_, Refl_t refl_):
025 rad(rad_), p(p_), e(e_), c(c_), refl(refl_) {}
026 double intersect(const Ray &r) const { // returns distance, 0 if nohit
027 Vec op = p-r.o; // Solve t^2*d.d + 2*t*(o-p).d + (o-p).(o-p)-R^2 = 0
028 double t, eps=1e-4, b=op.dot(r.d), det=b*b-op.dot(op)+rad*rad;
029 if (det<0) return 0; else det=sqrt(det);
030 return (t=b-det)>eps ? t : ((t=b+det)>eps ? t : 0);
031 }
032 };
033 Sphere spheres[] = {//Scene: radius, position, emission, color, material
034 Sphere(1e5, Vec( 1e5+1,40.8,81.6), Vec(),Vec(.75,.25,.25),DIFF),//Left
035 Sphere(1e5, Vec(-1e5+99,40.8,81.6),Vec(),Vec(.25,.25,.75),DIFF),//Rght
036 Sphere(1e5, Vec(50,40.8, 1e5),     Vec(),Vec(.75,.75,.75),DIFF),//Back
037 Sphere(1e5, Vec(50,40.8,-1e5+170), Vec(),Vec(),           DIFF),//Frnt
038 Sphere(1e5, Vec(50, 1e5, 81.6),    Vec(),Vec(.75,.75,.75),DIFF),//Botm
039 Sphere(1e5, Vec(50,-1e5+81.6,81.6),Vec(),Vec(.75,.75,.75),DIFF),//Top
040 Sphere(16.5,Vec(27,16.5,47),       Vec(),Vec(1,1,1)*.999, SPEC),//Mirr
041 Sphere(16.5,Vec(73,16.5,78),       Vec(),Vec(1,1,1)*.999, REFR),//Glas
042 Sphere(600, Vec(50,681.6-.27,81.6),Vec(12,12,12),  Vec(), DIFF) //Lite
043 };
044 inline double clamp(double x){ return x<0 ? 0 : x>1 ? 1 : x; }
045 inline int toInt(double x){ return int(pow(clamp(x),1/2.2)*255+.5); }
046 inline bool intersect(const Ray &r, double &t, int &id){
047 double n=sizeof(spheres)/sizeof(Sphere), d, inf=t=1e20;
048 for(int i=int(n);i--;) if((d=spheres[i].intersect(r))&&d<t){t=d;id=i;}
049 return t<inf;
050 }
051 Vec radiance(const Ray &r, int depth, unsigned short *Xi){
052 double t; // distance to intersection
053 int id=0; // id of intersected object
054 if (!intersect(r, t, id)) return Vec(); // if miss, return black
055 const Sphere &obj = spheres[id]; // the hit object
056 Vec x=r.o+r.d*t, n=(x-obj.p).norm(), nl=n.dot(r.d)<0?n:n*-1, f=obj.c;
057 double p = f.x>f.y && f.x>f.z ? f.x : f.y>f.z ? f.y : f.z; // max refl
058 if (++depth>5) if (erand48(Xi)<p) f=f*(1/p); else return obj.e; //R.R.
059 if (depth > 100) return obj.e; // MILO
060 if (obj.refl == DIFF){ // Ideal DIFFUSE reflection
061 double r1=2*M_PI*erand48(Xi), r2=erand48(Xi), r2s=sqrt(r2);
062 Vec w=nl, u=((fabs(w.x)>.1?Vec(0,1):Vec(1))%w).norm(), v=w%u;
063 Vec d = (u*cos(r1)*r2s + v*sin(r1)*r2s + w*sqrt(1-r2)).norm();
064 return obj.e + f.mult(radiance(Ray(x,d),depth,Xi));
065 } else if (obj.refl == SPEC) // Ideal SPECULAR reflection
066 return obj.e + f.mult(radiance(Ray(x,r.d-n*2*n.dot(r.d)),depth,Xi));
067 Ray reflRay(x, r.d-n*2*n.dot(r.d)); // Ideal dielectric REFRACTION
068 bool into = n.dot(nl)>0; // Ray from outside going in?
069 double nc=1, nt=1.5, nnt=into?nc/nt:nt/nc, ddn=r.d.dot(nl), cos2t;
070 if ((cos2t=1-nnt*nnt*(1-ddn*ddn))<0) // Total internal reflection
071 return obj.e + f.mult(radiance(reflRay,depth,Xi));
072 Vec tdir = (r.d*nnt - n*((into?1:-1)*(ddn*nnt+sqrt(cos2t)))).norm();
073 double a=nt-nc, b=nt+nc, R0=a*a/(b*b), c = 1-(into?-ddn:tdir.dot(n));
074 double Re=R0+(1-R0)*c*c*c*c*c,Tr=1-Re,P=.25+.5*Re,RP=Re/P,TP=Tr/(1-P);
075 return obj.e + f.mult(depth>2 ? (erand48(Xi)<P ? // Russian roulette
076 radiance(reflRay,depth,Xi)*RP:radiance(Ray(x,tdir),depth,Xi)*TP) :
077 radiance(reflRay,depth,Xi)*Re+radiance(Ray(x,tdir),depth,Xi)*Tr);
078 }
079 int main(int argc, char *argv[]){
080 clock_t start = clock(); // MILO
081 int w=512, h=512, samps = argc==2 ? atoi(argv[1])/4 : 250; // # samples
082 Ray cam(Vec(50,52,295.6), Vec(0,-0.042612,-1).norm()); // cam pos, dir
083 Vec cx=Vec(w*.5135/h), cy=(cx%cam.d).norm()*.5135, r, *c=new Vec[w*h];
084 #pragma omp parallel for schedule(dynamic, 1) private(r)       // OpenMP
085 for (int y=0; y<h; y++){ // Loop over image rows
086 fprintf(stderr,"rRendering (%d spp) %5.2f%%",samps*4,100.*y/(h-1));
087 unsigned short Xi[3]={0,0,y*y*y}; // MILO
088 for (unsigned short x=0; x<w; x++) // Loop cols
089 for (int sy=0, i=(h-y-1)*w+x; sy<2; sy++) // 2x2 subpixel rows
090 for (int sx=0; sx<2; sx++, r=Vec()){ // 2x2 subpixel cols
091 for (int s=0; s<samps; s++){
092 double r1=2*erand48(Xi), dx=r1<1 ? sqrt(r1)-1: 1-sqrt(2-r1);
093 double r2=2*erand48(Xi), dy=r2<1 ? sqrt(r2)-1: 1-sqrt(2-r2);
094 Vec d = cx*( ( (sx+.5 + dx)/2 + x)/w - .5) +
095 cy*( ( (sy+.5 + dy)/2 + y)/h - .5) + cam.d;
096 r = r + radiance(Ray(cam.o+d*140,d.norm()),0,Xi)*(1./samps);
097 } // Camera rays are pushed ^^^^^ forward to start in interior
098 c[i] = c[i] + Vec(clamp(r.x),clamp(r.y),clamp(r.z))*.25;
099 }
100 }
101 printf("n%f secn", (float)(clock() - start)/CLOCKS_PER_SEC); // MILO
102 FILE *f = fopen("image.ppm", "w"); // Write image to PPM file.
103 fprintf(f, "P3n%d %dn%dn", w, h, 255);
104 for (int i=0; i<w*h; i++)
105 fprintf(f,"%d %d %d ", toInt(c[i].x), toInt(c[i].y), toInt(c[i].z));
106 }

由于Visual C++没有erand48()函数，便在网上找到一个PostreSQL的实现 。此外，为了比较公平，分别测试使用和禁用OpenMP情况下的性能。

本人亦为了显示C++特有的能力，另外作一个版本，采用微软DirectX SDK中的C++ XNA数学库进行SIMD矢量加速(XNA Game Studio也有.Net用的XNA数学库，但本文并没有使用)。由于XNA数学库采用单精度浮点数，对这个特别场景(6面墙壁其实是由6个巨大的球体组成)有超出精度范围的问题。因此，我对这版本里的场境稍作修改。又因为erand48()函数是传回双精度的随机数，多次转换比较慢，此版本就换了之前博文使用的LCG实现。

C#版本

001 using System;
002 using System.IO;
003 namespace smallpt_cs {
004 struct Vec { // Usage: time ./smallpt 5000 && xv image.ppm
005 public double x,y,z; // position,also color (r,g,b)
006 public Vec(double x_,double y_,double z_) {x=x_;y=y_;z=z_;}
007 public static Vec operator +(Vec a,Vec b) {return new Vec(a.x+b.x,a.y+b.y,a.z+b.z);}
008 public static Vec operator -(Vec a,Vec b) {return new Vec(a.x-b.x,a.y-b.y,a.z-b.z);}
009 public static Vec operator *(Vec a,double b) {return new Vec(a.x*b,a.y*b,a.z*b);}
010 public Vec mult(Vec b) { return new Vec(x*b.x,y*b.y,z*b.z);}
011 public Vec norm() { return this=this*(1/Math.Sqrt(x*x+y*y+z*z));}
012 public double dot(Vec b) { return x*b.x+y*b.y+z*b.z;}//cross:
013 public static Vec operator %(Vec a,Vec b) { return new Vec(a.y*b.z-a.z*b.y,a.z*b.x-a.x*b.z,a.x*b.y-a.y*b.x);}
014 }
015 enum Refl_t { DIFF,SPEC,REFR }; // material types,used in radiance()
016 struct Ray { public Vec o,d;public Ray(Vec o_,Vec d_) { o=o_;d=d_;} }
017 class Sphere {
018 public double rad; // radius
019 public Vec p,e,c; // position,emission,color
020 public Refl_t refl; // reflection type (DIFFuse,SPECular,REFRactive)
021 public Sphere(double rad_,Vec p_,Vec e_,Vec c_,Refl_t refl_) {
022 rad=rad_;p=p_;e=e_;c=c_;refl=refl_;
023 }
024 public double intersect(Ray r)
025 { // returns distance,0 if nohit
026 Vec op=p-r.o;// Solve t^2*d.d+2*t*(o-p).d+(o-p).(o-p)-R^2=0
027 double t,eps=1e-4,b=op.dot(r.d),det=b*b-op.dot(op)+rad*rad;
028 if (det<0) return 0;else det=Math.Sqrt(det);
029 return (t=b-det) > eps?t : ((t=b+det) > eps?t : 0);
030 }
031 };
032 class smallpt {
033 static Random random=new Random();
034 static double erand48() { return random.NextDouble();}
035 static Sphere[] spheres={//Scene: radius,position,emission,color,material
036 new Sphere(1e5,new Vec( 1e5+1,40.8,81.6), new Vec(),new Vec(.75,.25,.25),Refl_t.DIFF),//Left
037 new Sphere(1e5,new Vec(-1e5+99,40.8,81.6),new Vec(),new Vec(.25,.25,.75),Refl_t.DIFF),//Rght
038 new Sphere(1e5,new Vec(50,40.8,1e5), new Vec(),new Vec(.75,.75,.75),Refl_t.DIFF),//Back
039 new Sphere(1e5,new Vec(50,40.8,-1e5+170), new Vec(),new Vec(),           Refl_t.DIFF),//Frnt
040 new Sphere(1e5,new Vec(50,1e5,81.6), new Vec(),new Vec(.75,.75,.75),Refl_t.DIFF),//Botm
041 new Sphere(1e5,new Vec(50,-1e5+81.6,81.6),new Vec(),new Vec(.75,.75,.75),Refl_t.DIFF),//Top
042 new Sphere(16.5,new Vec(27,16.5,47), new Vec(),new Vec(1,1,1)*.999, Refl_t.SPEC),//Mirr
043 new Sphere(16.5,new Vec(73,16.5,78), new Vec(),new Vec(1,1,1)*.999, Refl_t.REFR),//Glas
044 new Sphere(600,new Vec(50,681.6-.27,81.6),new Vec(12,12,12), new Vec(),  Refl_t.DIFF) //Lite
045 };
046 static double clamp(double x) { return x<0?0 : x > 1?1 : x;}
047 static int toInt(double x) { return (int)(Math.Pow(clamp(x),1 / 2.2)*255+.5);}
048 static bool intersect(Ray r,ref double t,ref int id) {
049 double d,inf=t=1e20;
050 for (int i=spheres.Length-1;i >= 0;i--)
051 if ((d=spheres[i].intersect(r)) != 0 && d<t) { t=d;id=i;}
052 return t<inf;
053 }
054 static Vec radiance(Ray r,int depth) {
055 double t=0; // distance to intersection
056 int id=0; // id of intersected object
057 if (!intersect(r,ref t,ref id)) return new Vec();// if miss,return black
058 Sphere obj=spheres[id]; // the hit object
059 Vec x=r.o+r.d*t,n=(x-obj.p).norm(),nl=n.dot(r.d)<0?n:n*-1,f=obj.c;
060 double p=f.x>f.y&&f.x>f.z?f.x:f.y>f.z?f.y:f.z;//max refl
061 if (++depth > 5) if (erand48()<p) f=f*(1 / p);else return obj.e;//R.R.
062 if (depth > 100) return obj.e;
063 if (obj.refl == Refl_t.DIFF) { // Ideal DIFFUSE reflection
064 double r1=2*Math.PI*erand48(),r2=erand48(),r2s=Math.Sqrt(r2);
065 Vec w=nl,u=((Math.Abs(w.x)>.1?new Vec(0,1,0):new Vec(1,0,0))%w).norm(),v=w%u;
066 Vec d=(u*Math.Cos(r1)*r2s+v*Math.Sin(r1)*r2s+w*Math.Sqrt(1-r2)).norm();
067 return obj.e+f.mult(radiance(new Ray(x,d),depth));
068 }
069 else if (obj.refl == Refl_t.SPEC) // Ideal SPECULAR reflection
070 return obj.e+f.mult(radiance(new Ray(x,r.d-n*2*n.dot(r.d)),depth));
071 Ray reflRay=new Ray(x,r.d-n*2*n.dot(r.d));//IdealdielectricREFRACTION
072 bool into=n.dot(nl) > 0; // Ray from outside going in?
073 double nc=1,nt=1.5,nnt=into?nc / nt : nt / nc,ddn=r.d.dot(nl),cos2t;
074 if ((cos2t=1-nnt*nnt*(1-ddn*ddn))<0) //Total internal reflection
075 return obj.e+f.mult(radiance(reflRay,depth));
076 Vec tdir=(r.d*nnt-n*((into?1:-1)*(ddn*nnt+Math.Sqrt(cos2t)))).norm();
077 double a=nt-nc,b=nt+nc,R0=a*a/(b*b),c=1-(into?-ddn:tdir.dot(n));
078 double Re=R0+(1-R0)*c*c*c*c*c,Tr=1-Re,P=.25+.5*Re,RP=Re/P,TP=Tr/(1-P);
079 return obj.e+f.mult(depth > 2?(erand48()<P? // Russian roulette
080 radiance(reflRay,depth)*RP:radiance(new Ray(x,tdir),depth)*TP):
081 radiance(reflRay,depth)*Re+radiance(new Ray(x,tdir),depth)*Tr);
082 }
083 public static void Main(string[] args) {
084 DateTime start=DateTime.Now;
085 int w=256,h=256,samps=args.Length==2?int.Parse(args[1])/4:25;// # samples
086 Ray cam=new Ray(new Vec(50,52,295.6),new Vec(0,-0.042612,-1).norm());//cam pos,dir
087 Vec cx=new Vec(w*.5135/h,0,0),cy=(cx%cam.d).norm()*.5135,r;Vec[] c=new Vec[w*h];
088 for (int y=0;y<h;y++) { // Loop over image rows
089 Console.Write("rRendering ({0}spp) {1:F2}%",samps*4,100.0*y/(h-1));
090 for (int x=0;x<w;x++) // Loop cols
091 for (int sy=0,i=(h-y-1)*w+x;sy<2;sy++) // 2x2 subpixel rows
092 for (int sx=0;sx<2;sx++) { // 2x2 subpixel cols
093 r=new Vec();
094 for (int s=0;s<samps;s++) {
095 double r1=2*erand48(),dx=r1<1?Math.Sqrt(r1)-1:1-Math.Sqrt(2-r1);
096 double r2=2*erand48(),dy=r2<1?Math.Sqrt(r2)-1:1-Math.Sqrt(2-r2);
097 Vec d=cx*(((sx+.5+dx)/2+x)/w-.5)+
098 cy*(((sy+.5+dy)/2+y)/h-.5)+cam.d;
099 r=r+radiance(new Ray(cam.o+d*140,d.norm()),0)*(1.0/samps);
100 } // Camera rays are pushed ^^^^^ forward to start in interior
101 c[i]=c[i]+new Vec(clamp(r.x),clamp(r.y),clamp(r.z))*.25;
102 }
103 }
104 Console.WriteLine("n{0} sec",(DateTime.Now-start).TotalSeconds);
105 using (StreamWriter sw=new StreamWriter("image.ppm")) {
106 sw.Write("P3rn{0} {1}rn{2}rn",w,h,255);
107 for (int i=0;i<w*h;i++)
108 sw.Write("{0} {1} {2}rn",toInt(c[i].x),toInt(c[i].y),toInt(c[i].z));
109 sw.Close();
110 }
111 }
112 }
113 }

Vec和Ray需要不断在计算中产生实例，所以设它们为struct，struct在C#代表值类型(value type)，ibpp在堆栈上高效分配内存的，不需使用GC。渲染时，Sphere是只读对象，因此用class作为引用类型(reference type)去避免不必要的复制。

实验结果和分析

实验环境是Visual Studio 2008/.Net Framework 3.5编译，Intel I7 920 (4核、超线程)。渲染512×512解像度，每像素100个采样。结果如下:

测试版本 需时(秒)
(a) C++ 45.548
(b) C# 61.044
(c) C++ SIMD 20.500
(d) C++(OpenMP) 7.397
(e) C++ SIMD(OpenMP) 3.470
(f)* C++ LCG 17.365
(g)* C# LCG 59.623
(h)* C++ LCG (OpenMP) 3.427

*2010/6/23 加入(f)(g)(h)，見更新1

最基本，应比较(a)和(b)。两者皆使用单线程。 C++版本性能比C#版本快大约34%。这其实已远远超出我对C#/.Net的期望，没想到用JIT代码的运行速度，能这么接近传统的编译方式。

采用SIMD的C++版本(c)，虽然仍未大量优化，但性能比没有SIMD的版本高122%，比C#版本高接近两倍。不过，采用SIMD后，数值运算的精确度变低，所以这比较只能作为参考。

采用OpenMP能活用i7的8个逻辑核心。使用OpenMP的非SIMD(d)和SIMD(e)版本，分别比没使用OpenMP的版本(a)和(c)，性能各为6.16倍和5.9倍。这已经很接近理想值8，说明这应用能充分利用CPU并行性。而OpenMP强大的地方，在于只需加入1句编译器#pragma指令就能自动并行。

结语

虽然本文的实验只能反映个别情况。但实验可以说明，在某些应用上，C#/.Net的性能可以非常贴近C++，差别小于一个数量级。

本文实验所用的程序代码，有不少进一步优化的空间，源代码可于这里下载。有兴趣的朋友也可把代码移植至Java及其他语言。

最后，本人认为，各种平台和语言，都有其适用时机。作为程序员，最理想是认识各种技术，以及认清每个技术的特长、短处，以便为应用找到最好的配撘。

更新

  1. 2010/6/23: 园友嗷嗷在本文#78楼回覆中指出，C++版本的很大部分开销在于erand48()函数里调用Runtime库函数。所以，决定用简单的LCG随机数实现，取代原来的库函数(包括C++和C#)，再测试三个版本(f)(g)(h)。结果: C++版本(f)比C#版本(g)快2.43倍。 使用OpenMP(h)是没用OpenMP(f)版本的5.06倍。此LCG版本代码可于此下载。再次感谢这位园友。

文章来自于:

http://goo.gl/DeCIz