三元运算符是if-else块的两倍慢?

我到处都读到，三元运算符应该比它的等效if-else块快，或者至少和它一样快。

然而，我做了以下测试，发现事实并非如此:

Random r = new Random();
int[] array = new int[20000000];
for(int i = 0; i < array.Length; i++)
{
    array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
}
Array.Sort(array);

long value = 0;
DateTime begin = DateTime.UtcNow;

foreach (int i in array)
{
    if (i > 0)
    {
        value += 2;
    }
    else
    {
        value += 3;
    }
    // if-else block above takes on average 85 ms

    // OR I can use a ternary operator:
    // value += i > 0 ? 2 : 3; // takes 157 ms
}
DateTime end = DateTime.UtcNow;
MessageBox.Show("Measured time: " + (end-begin).TotalMilliseconds + " ms.\r\nResult = " + value.ToString());

我的电脑花了85毫秒来运行上面的代码。但是如果我注释掉if-else块，并取消注释三元操作符行，这将花费大约157毫秒。

为什么会这样?

当前回答

为了回答这个问题，我们将检查X86和X64 jit为每种情况生成的汇编代码。

X86，如果/那么

    32:                 foreach (int i in array)
0000007c 33 D2                xor         edx,edx 
0000007e 83 7E 04 00          cmp         dword ptr [esi+4],0 
00000082 7E 1C                jle         000000A0 
00000084 8B 44 96 08          mov         eax,dword ptr [esi+edx*4+8] 
    33:                 {
    34:                     if (i > 0)
00000088 85 C0                test        eax,eax 
0000008a 7E 08                jle         00000094 
    35:                     {
    36:                         value += 2;
0000008c 83 C3 02             add         ebx,2 
0000008f 83 D7 00             adc         edi,0 
00000092 EB 06                jmp         0000009A 
    37:                     }
    38:                     else
    39:                     {
    40:                         value += 3;
00000094 83 C3 03             add         ebx,3 
00000097 83 D7 00             adc         edi,0 
0000009a 42                   inc         edx 
    32:                 foreach (int i in array)
0000009b 39 56 04             cmp         dword ptr [esi+4],edx 
0000009e 7F E4                jg          00000084 
    30:             for (int x = 0; x < iterations; x++)
000000a0 41                   inc         ecx 
000000a1 3B 4D F0             cmp         ecx,dword ptr [ebp-10h] 
000000a4 7C D6                jl          0000007C

X86,三元

    59:                 foreach (int i in array)
00000075 33 F6                xor         esi,esi 
00000077 83 7F 04 00          cmp         dword ptr [edi+4],0 
0000007b 7E 2D                jle         000000AA 
0000007d 8B 44 B7 08          mov         eax,dword ptr [edi+esi*4+8] 
    60:                 {
    61:                     value += i > 0 ? 2 : 3;
00000081 85 C0                test        eax,eax 
00000083 7F 07                jg          0000008C 
00000085 BA 03 00 00 00       mov         edx,3 
0000008a EB 05                jmp         00000091 
0000008c BA 02 00 00 00       mov         edx,2 
00000091 8B C3                mov         eax,ebx 
00000093 8B 4D EC             mov         ecx,dword ptr [ebp-14h] 
00000096 8B DA                mov         ebx,edx 
00000098 C1 FB 1F             sar         ebx,1Fh 
0000009b 03 C2                add         eax,edx 
0000009d 13 CB                adc         ecx,ebx 
0000009f 89 4D EC             mov         dword ptr [ebp-14h],ecx 
000000a2 8B D8                mov         ebx,eax 
000000a4 46                   inc         esi 
    59:                 foreach (int i in array)
000000a5 39 77 04             cmp         dword ptr [edi+4],esi 
000000a8 7F D3                jg          0000007D 
    57:             for (int x = 0; x < iterations; x++)
000000aa FF 45 E4             inc         dword ptr [ebp-1Ch] 
000000ad 8B 45 E4             mov         eax,dword ptr [ebp-1Ch] 
000000b0 3B 45 F0             cmp         eax,dword ptr [ebp-10h] 
000000b3 7C C0                jl          00000075

X64，如果/那么

    32:                 foreach (int i in array)
00000059 4C 8B 4F 08          mov         r9,qword ptr [rdi+8] 
0000005d 0F 1F 00             nop         dword ptr [rax] 
00000060 45 85 C9             test        r9d,r9d 
00000063 7E 2B                jle         0000000000000090 
00000065 33 D2                xor         edx,edx 
00000067 45 33 C0             xor         r8d,r8d 
0000006a 4C 8B 57 08          mov         r10,qword ptr [rdi+8] 
0000006e 66 90                xchg        ax,ax 
00000070 42 8B 44 07 10       mov         eax,dword ptr [rdi+r8+10h] 
    33:                 {
    34:                     if (i > 0)
00000075 85 C0                test        eax,eax 
00000077 7E 07                jle         0000000000000080 
    35:                     {
    36:                         value += 2;
00000079 48 83 C5 02          add         rbp,2 
0000007d EB 05                jmp         0000000000000084 
0000007f 90                   nop 
    37:                     }
    38:                     else
    39:                     {
    40:                         value += 3;
00000080 48 83 C5 03          add         rbp,3 
00000084 FF C2                inc         edx 
00000086 49 83 C0 04          add         r8,4 
    32:                 foreach (int i in array)
0000008a 41 3B D2             cmp         edx,r10d 
0000008d 7C E1                jl          0000000000000070 
0000008f 90                   nop 
    30:             for (int x = 0; x < iterations; x++)
00000090 FF C1                inc         ecx 
00000092 41 3B CC             cmp         ecx,r12d 
00000095 7C C9                jl          0000000000000060

X64,三元

    59:                 foreach (int i in array)
00000044 4C 8B 4F 08          mov         r9,qword ptr [rdi+8] 
00000048 45 85 C9             test        r9d,r9d 
0000004b 7E 2F                jle         000000000000007C 
0000004d 45 33 C0             xor         r8d,r8d 
00000050 33 D2                xor         edx,edx 
00000052 4C 8B 57 08          mov         r10,qword ptr [rdi+8] 
00000056 8B 44 17 10          mov         eax,dword ptr [rdi+rdx+10h] 
    60:                 {
    61:                     value += i > 0 ? 2 : 3;
0000005a 85 C0                test        eax,eax 
0000005c 7F 07                jg          0000000000000065 
0000005e B8 03 00 00 00       mov         eax,3 
00000063 EB 05                jmp         000000000000006A 
00000065 B8 02 00 00 00       mov         eax,2 
0000006a 48 63 C0             movsxd      rax,eax 
0000006d 4C 03 E0             add         r12,rax 
00000070 41 FF C0             inc         r8d 
00000073 48 83 C2 04          add         rdx,4 
    59:                 foreach (int i in array)
00000077 45 3B C2             cmp         r8d,r10d 
0000007a 7C DA                jl          0000000000000056 
    57:             for (int x = 0; x < iterations; x++)
0000007c FF C1                inc         ecx 
0000007e 3B CD                cmp         ecx,ebp 
00000080 7C C6                jl          0000000000000048

首先:为什么X86代码比X64慢这么多?

这是由于代码的以下特征:

X64有几个额外的寄存器可用，每个寄存器都是64位的。这允许X64 JIT完全使用寄存器来执行内部循环，而不是从数组中加载i，而X86 JIT在循环中放置了几个堆栈操作(内存访问)。 value是一个64位整数，在X86上需要2条机器指令(add和adc)，但在X64上只需要1条机器指令(add)。

第二:为什么三元运算符在X86和X64上都比较慢?

This is due to a subtle difference in the order of operations impacting the JIT's optimizer. To JIT the ternary operator, rather than directly coding 2 and 3 in the add machine instructions themselves, the JIT creating an intermediate variable (in a register) to hold the result. This register is then sign-extended from 32-bits to 64-bits before adding it to value. Since all of this is performed in registers for X64, despite the significant increase in complexity for the ternary operator the net impact is somewhat minimized.

另一方面，X86 JIT受到更大程度的影响，因为在内部循环中添加一个新的中间值会导致它“溢出”另一个值，导致在内部循环中至少有2个额外的内存访问(参见X86三进制代码中对[ebp-14h]的访问)。

2013-06-26 22:01:14

其他回答

在下面的代码中，if/else似乎大约比三元运算符快1.4倍。然而，我发现引入一个临时变量会使三元运算符的运行时间减少约1.4倍:

If/Else: 98毫秒三元:141毫秒三元与温度变量:100毫秒

using System;
using System.Diagnostics;

namespace ConsoleApplicationTestIfElseVsTernaryOperator
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Random r = new Random(0);
            int[] array = new int[20000000];
            for (int i = 0; i < array.Length; i++)
            {
                array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
            }
            Array.Sort(array);
            long value;
            Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();

            value = 0;
            stopwatch.Restart();
            foreach (int i in array)
            {
                if (i > 0)
                {
                    value += 2;
                }
                else
                {
                    value += 3;
                }
                // 98 ms
            }
            stopwatch.Stop();
            Console.WriteLine("If/Else: " + stopwatch.ElapsedMilliseconds.ToString() + " ms");

            value = 0;
            stopwatch.Restart();
            foreach (int i in array)
            {
                value += (i > 0) ? 2 : 3; 
                // 141 ms
            }

            stopwatch.Stop();
            Console.WriteLine("Ternary: " + stopwatch.ElapsedMilliseconds.ToString() + " ms");

            value = 0;
            int tempVar = 0;
            stopwatch.Restart();
            foreach (int i in array)
            {
                tempVar = (i > 0) ? 2 : 3;
                value += tempVar; 
                // 100ms
            }
            stopwatch.Stop();
            Console.WriteLine("Ternary with temp var: " + stopwatch.ElapsedMilliseconds.ToString() + " ms");

            Console.ReadKey(true);
        }
    }
}

2015-10-14 12:21:40

编辑:

增加了一个可以使用if-else语句但不能使用条件操作符的示例。

在回答之前，请先看一下[哪个更快?]在利伯特的博客上。我认为Ersönmez先生的答案是最正确的。

我试图提到一些我们应该记住的高级编程语言。

首先，我从未听说过条件运算符应该比c#中的if-else语句更快或性能相同。

原因很简单，如果没有if-else语句的操作:

if (i > 0)
{
    value += 2;
}
else
{
}

条件操作符的要求是:必须有一个值的任意边，并且在c#中，它还要求:的两端具有相同的类型。这只是使它不同于if-else语句。因此，你的问题变成了问指令的机器代码是如何产生的，从而导致性能的差异。

如果使用条件操作符，从语义上讲它是:

无论表达式的值是多少，都有一个值。

但是使用if-else语句:

如果表达式被赋值为true，执行一些操作;如果没有，做另一件事。

if-else语句不一定包含值。你的假设只有在优化时才有可能。

另一个例子可以说明它们之间的区别，如下所示:

var array1=new[] { 1, 2, 3 };
var array2=new[] { 5, 6, 7 };

if(i>0)
    array1[1]=4;
else
    array2[2]=4;

上面的代码编译，但是，用条件操作符替换if-else语句不会编译:

var array1=new[] { 1, 2, 3 };
var array2=new[] { 5, 6, 7 };
(i>0?array1[1]:array2[2])=4; // incorrect usage

当你做同样的事情时，条件操作符和if-else语句在概念上是相同的，在C中使用条件操作符可能更快，因为C更接近平台的程序集。

对于您提供的原始代码，条件操作符在foreach循环中使用，这将使查看它们之间的区别变得混乱。所以我提议以下代码:

public static class TestClass {
    public static void TestConditionalOperator(int i) {
        long value=0;
        value+=i>0?2:3;
    }

    public static void TestIfElse(int i) {
        long value=0;

        if(i>0) {
            value+=2;
        }
        else {
            value+=3;
        }
    }

    public static void TestMethod() {
        TestConditionalOperator(0);
        TestIfElse(0);
    }
}

以下是优化和未优化的IL的两个版本。因为它们很长，我用一张图片来展示，右边是优化后的:

(点击查看全尺寸图片。)

在这两个版本的代码中，条件操作符的IL看起来都比if-else语句短，并且最终生成的机器代码仍然存在疑问。以下是两种方法的说明，前者为未优化图像，后者为优化图像:

非优化说明:(点击查看全尺寸图片) 优化说明:(点击查看全尺寸图片)

在后者中，黄色块是仅当i<=0时执行的代码，蓝色块是当i>0时执行的代码。在任何版本的指令中，if-else语句都较短。

请注意，对于不同的指令，[CPI]不一定相同。逻辑上，对于相同的指令，更多的指令需要更长的周期。但是如果将指令获取时间和管道/缓存也考虑在内，那么实际的总执行时间取决于处理器。处理器还可以预测分支。

现代处理器甚至有更多的核心，事情可能会更复杂。如果你是英特尔处理器的用户，你可能想看一下[英特尔®64和IA-32架构优化参考手册]。

我不知道是否有硬件实现的CLR，但如果有，使用条件操作符可能会更快，因为IL明显更少。

注:所有机器代码都是x86的。

2013-06-27 14:45:00

我做了乔恩·斯基特所做的，运行了1次迭代和1000次迭代，得到了来自OP和乔恩的不同结果。在我的例子中，三进制稍微快一点。下面是准确的代码:

static void runIfElse(int[] array, int iterations)
    {
        long value = 0;
        Stopwatch ifElse = new Stopwatch();
        ifElse.Start();
        for (int c = 0; c < iterations; c++)
        {
            foreach (int i in array)
            {
                if (i > 0)
                {
                    value += 2;
                }
                else
                {
                    value += 3;
                }
            }
        }
        ifElse.Stop();
        Console.WriteLine(String.Format("Elapsed time for If-Else: {0}", ifElse.Elapsed));
    }

    static void runTernary(int[] array, int iterations)
    {
        long value = 0;
        Stopwatch ternary = new Stopwatch();
        ternary.Start();
        for (int c = 0; c < iterations; c++)
        {
            foreach (int i in array)
            {
                value += i > 0 ? 2 : 3;
            }
        }
        ternary.Stop();


        Console.WriteLine(String.Format("Elapsed time for Ternary: {0}", ternary.Elapsed));
    }

    static void Main(string[] args)
    {
        Random r = new Random();
        int[] array = new int[20000000];
        for (int i = 0; i < array.Length; i++)
        {
            array[i] = r.Next(int.MinValue, int.MaxValue);
        }
        Array.Sort(array);

        long value = 0;

        runIfElse(array, 1);
        runTernary(array, 1);
        runIfElse(array, 1000);
        runTernary(array, 1000);
        
        Console.ReadLine();
    }

从我的程序输出:

If-Else的运行时间:00:00:00.0140543 三元的运行时间:00:00:00.0136723 If-Else的运行时间:00:00:14.0167870 Ternary的运行时间:00:00:13.9418520

另一个以毫秒为单位的运行:

If-Else的运行时间:20 三元的运行时间:19 If-Else的运行时间:13854 三元的运行时间:13610

这是在64位XP中运行的，我在没有调试的情况下运行。

编辑-运行在x86:

使用x86有很大的不同。这个过程没有像以前一样在同一台xp 64位机器上进行调试，而是为x86 cpu构建的。这个看起来更像OP。

If-Else的运行时间:18 三元的运行时间:35 If-Else的运行时间:20512 三元的运行时间:32673

2013-06-26 20:16:32

这个区别与if/else和三元没有太大关系。

看看这些分解(我不会在这里重复，请参阅@280Z28的答案)，结果是你在比较苹果和橘子。在一种情况下，创建两个具有常量值的不同+=操作，选择哪个操作取决于条件;在另一种情况下，创建+=，其中要添加的值取决于条件。

如果你想真正比较If /else和三元，这将是一个更公平的比较(现在两者都一样“慢”，或者我们甚至可以说三元更快一点):

int diff;
if (i > 0) 
    diff = 2;
else 
    diff = 3;
value += diff;

vs.

value += i > 0 ? 2 : 3;

现在，对if/else的分解如下所示。注意，这比三元情况更糟糕，因为它也停止使用循环变量(i)的寄存器。

                if (i > 0)
0000009d  cmp         dword ptr [ebp-20h],0 
000000a1  jle         000000AD 
                {
                    diff = 2;
000000a3  mov         dword ptr [ebp-24h],2 
000000aa  nop 
000000ab  jmp         000000B4 
                }
                else
                {
                    diff = 3;
000000ad  mov         dword ptr [ebp-24h],3 
                }
                value += diff;
000000b4  mov         eax,dword ptr [ebp-18h] 
000000b7  mov         edx,dword ptr [ebp-14h] 
000000ba  mov         ecx,dword ptr [ebp-24h] 
000000bd  mov         ebx,ecx 
000000bf  sar         ebx,1Fh 
000000c2  add         eax,ecx 
000000c4  adc         edx,ebx 
000000c6  mov         dword ptr [ebp-18h],eax 
000000c9  mov         dword ptr [ebp-14h],edx 
000000cc  inc         dword ptr [ebp-28h]

2013-06-27 08:25:42

查看生成的IL，其中的操作比if/else语句少16个(复制和粘贴@JonSkeet的代码)。然而，这并不意味着它应该是一个更快的过程!

为了总结IL中的差异，if/else方法翻译成与c#代码读取几乎相同(在分支中执行添加)，而条件代码将2或3加载到堆栈上(取决于值)，然后将其添加到条件之外的值。

另一个区别是使用的分支指令。if/else方法使用一个brtrue(分支if true)来跳过第一个条件，使用一个无条件分支从if语句的第一个跳出。条件代码使用bgt(如果大于则使用分支)而不是brtrue，这可能是一个较慢的比较。

另外(已经阅读了关于分支预测的内容)，较小的分支可能会导致性能损失。条件分支中只有1条指令，而if/else有7条。这也解释了为什么使用long和int之间有区别，因为更改为int将减少if/else分支中的指令数1(使预读更少)

2013-06-26 21:24:03

三元运算符是if-else块的两倍慢?

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