驗證 .NET 4.6 的 SIMD 硬件加速支持的重要性

SIMD 的意思是 Single Instruction Multiple Data。顧名思義，一個指令可以處理多個數據。

.NET Framework 4.6 推出的 Nuget 程序包 System.Numerics.Vectors 裡面的 Vector`1 類型是有硬件加速功能的。這個硬件加速功能就是指即時編譯的時候根據硬件環境選用一些 SIMD 的指令讓程序運行更快。

這個硬件加速功能的威力可以用下面的方式得到驗證。

用單線程的程序重復 10000000H 個單精度浮點數的加法。加法的每一個輸入都是引用類型，輸出也必須獲取值的引用。

VB 2017 程序：

動態獲取當前硬件支持一組算多少個單精度浮點數的加法，然後分組計算。Release x64 編譯，優化代碼（反編譯驗證沒有優化掉循環），取消整數溢出檢查（為了跟 c# 執行時間一樣）。

VB

Imports System.Numerics

Module Program

    Sub Main()
        Const TotalDataSize = &H1000_0000
        Dim watch As New Stopwatch
        Dim groupSize = Vector(Of Single).Count
        Dim groupCount = TotalDataSize / groupSize
        Console.WriteLine($"每組數據的大小：{groupSize} (1：不優化，4：SSE2 優化，8：AVX2 優化)
一共要處理 {groupCount} 次數據以完成測試。")
        Console.WriteLine("計時開始！")
        watch.Start()
        Dim groupA(groupSize - 1), groupB(groupSize - 1) As Single
        Dim vecA As New Vector(Of Single)(groupA), vecB As New Vector(Of Single)(groupB), vecResult As Vector(Of Single)
        For i = 1 To groupCount
            vecResult = vecA + vecB
        Next
        watch.Stop()
        Console.WriteLine($"計時結束。用時：{watch.ElapsedMilliseconds} 毫秒。")
        Console.ReadKey()
    End Sub

End Module 

VC++ 2017程序：

用循環 0x10000000 次的 for 循環，Release x64 編譯，禁止優化（開優化不管循環多少次都是 0 毫秒，肯定是把循環優化掉了）。

C++

#include "stdafx.h"
#include <iostream>
#include "NotOptimizedNativeCodes.h"

const int TotalDataSize = 0x10000000;

#pragma unmanaged

void NativeTest()
{
    float groupA[1] = { 0 }, groupB[1] = { 0 }, *groupResult;
    for (size_t i = 0; i < TotalDataSize; i++)
    {
        float result = groupA[0] + groupB[0];
        groupResult = &result;
    }
}

#pragma managed

using namespace System;
using namespace System::Diagnostics;

int NotOptimizedNativeCodes::Program::main(array<System::String ^> ^args)
{
    auto watch = gcnew Stopwatch();
    std::cout << "每組數據的大小：" << 1 << "(1：不優化，4：SSE2 優化，8：AVX2 優化)" << std::endl <<
        "一共要處理" << TotalDataSize << " 次數據以完成測試。" << std::endl;
    Console::WriteLine(L"計時開始！");
    watch->Start();
    NativeTest();
    watch->Stop();
    std::cout << "計時結束。用時：" << watch->ElapsedMilliseconds << " 毫秒。" << std::endl;
    Console::ReadKey();
    return 0;
}

int main(array<System::String ^> ^args) 
{
    NotOptimizedNativeCodes::Program::main(args);
} 

執行結果（CPU 是 i5 6400，有 AVX2 指令集）

使用 i7 3632QM (沒有 AVX2 但是有 SSE2)