目录
- 前言
- 评测方案
- 几种不同的方案
- Memcmp
- 64字长优化
- SIMD
- Sse
- Avx2
- SequenceCompare
- 总结
- 参考文献
前言
之前在群里面有群友问过一个这样的问题，在.NET中如何快速的比较两个byte数组是否完全相等，听起来是一个比较两个byte数组是完全相等是一个简单的问题，但是深入研究以后，觉得还是有很多方案的，这里和大家一起分享下。
评测方案
这里为了评测不同方案的性能，我们用到了BenchmarkDotNet这个库，这个库目前已经被收入.NET基金会下，BenchmarkDotNet可以很方便的评测方法执行的性能，支持几乎所有的.NET运行环境，并且能输出详细的报表。使用起来也非常简单，你只需要安装BenchmakrDotNet的Nuget包，然后使用其提供的类和方法即可，这里是它的项目地址和帮助文档。
BenchmarkDotNet项目地址
BenchmarkDotNet帮助文档
我们通过BenchmarkDotNet来构建一个这样的评测用例.
using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using CompareByte;
// 需要引入BenchmarkDotNet的命名空间
// 运行Benchmark相当简单，只需要执行这个静态方法，泛型是需要评测的类
var summary = BenchmarkRunner.Run<BenchmarkCompareMethod>();
// 我们需要一些评测内存结果信息
// 并且生成HTML报表
[MemoryDiagnoser]
[HtmlExporter]
public class BenchmarkCompareMethod
{
// 准备两个数组，填充4MB大小的数据
private static readonly byte[] XBytes = Enumerable.Range(0, 4096000).Select(c => (byte) c).ToArray();
private static readonly byte[] YBytes = Enumerable.Range(0, 4096000).Select(c => (byte) c).ToArray();
public BenchmarkCompareMethod()
{
// 修改数组最后一个元素，使其不同
XBytes[4095999] = 1;
YBytes[4095999] = 2;
}
[Benchmark(Baseline = true)]
public void ForCompare()
{
.....
}
}
需要注意的是，为了保证评测的结果与生产环境一致，BenchmarkDotNet是要求使用Release模式运行程序，这样的话不仅代码编译成IL时优化，程序运行中JIT也会更加积极的参与生产机器码优化。需要在项目文件夹下面使用dotnet run -c Release来运行评测。
几种不同的方案
For循环
一开始看到这个需求，第一个想到的就是直接使用for循环对byte[]进行按下标比较，我觉得也是大家第一时间能想到的方案，那我们就上代码跑跑看速度。
public static bool ForCompare(byte[]? x, byte[]? y)
{
if (ReferenceEquals(x, y)) return true; // 引用相等，可以直接认为相等
if (x is null || y is null) return false; // 两者引用不相等情况下,一方为null那就不相等
if (x.Length != y.Length) return false; // 两者长度不等，那么肯定也不相等
for (var index = 0; index < x.Length; index++)
{
if (x[index] != y[index]) return false;
}
return true;
}
最终的结果如下所示，我们可以看到其实使用for循环进行比较是很快的，4MB大小的数组2ms左右就能比较完毕。
其实还有一个优化点，.NET的JIT对一些方法默认是不做inline内联优化的，这样每次还有一个方法调用的开销，我们让jit去积极的进行内联，再来试试。方法也很简单，只需要引入System.Runtime.CompilerServices命名空间，然后在方法上面打上头标记即可。
要搞清楚为什么方法内联有用，首先要知道当一个方法被调用的时候发生了什么
1、首先会有个执行栈，存储目前所有活跃的方法，以及它们的本地变量和参数2、当一个新的方法被调用了，一个新的栈帧会被加到栈顶，分配的本地变量和参数会存储在这个栈帧3、跳到目标方法代码执行4、方法返回的时候，本地方法和参数会被销毁，栈顶被移除5、返回原来地址执行
这就是通常说的方法调用的压栈和出栈过程，因此，方法调用需要有一定的时间开销和空间开销，当一个方法体不大，但又频繁被调用时，这个时间和空间开销会相对变得很大，变得非常不划算，同时降低了程序的性能。所以内联简单的说就是把目标方法里面代码复制到调用方法的地方，无需压栈、跳转和出栈。
不过并不是所有的方法内联都有益处，需要方法体比较小，如果方法体很大的话在每一个调用的地方都会发生替换，浪费内存。
using System.Runtime.CompilerServices; ..... [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining | MethodImplOptions.AggressiveOptimization)] public static bool ForCompare(byte[]? x, byte[]? y)
再来跑一下试试。
最后可以看到性能提升了30%呀，分配的字节数少了50% (虽然本来就只有2字节)，讲道理就可以直接交差了。
Memcmp
但是群里面还有小伙伴就不满足了，有没有其它的方案？有个小伙伴就跳出来说，操作系统是不是提供了类似的功能？会不会使用C/C++代码运行起来会更加快速？
没错，操作系统确实提供了这样的函数，微软提供了一个名为mscrt(微软C运行时库)的库，里面就提到了memcmp这个函数就可以来比较两个buffer是否相等。MSDN链接.
函数签名是这样的，这个函数位于mscrt.dll内。
int memcmp( const void *buffer1, // 数组1指针 const void *buffer2, // 数组2指针 size_t count // 比较字节数 );
既然有现成的C语言代码，那么C#应该如何调用它呢？实际上C#经常被大家成为C++++是有一定道理的，它在设计之初就考虑了和C、C++等代码的交互。这里使用到了C#的Native Interop - P/Invoke技术，可以很方便的使用C风格的ABI（C++、Rust等等都提供C语言ABI生成），在.NET底层大量的代码都是通过这种方式和底层交互，有兴趣的可以戳链接了解更详细的信息。
那么如何使用它呢？以我们上面的函数为例，我们只需要引入System.Runtime.InteropServices命名空间，然后按照上面memcmp函数的签名转换为C#代码就行了，最终的代码如下所示。
using System;
using System.Runtime.InteropServices;
namespace CompareByte;
public static class BytesCompare
{
[DllImport("msvcrt.dll")] // 需要使用的dll名称
private static extern unsafe int memcmp(byte* b1, byte* b2, int count);
// 由于指针使用是内存不安全的操作，所以需要使用unsafe关键字
// 项目文件中也要加入<AllowUnsafeBlocks>true</AllowUnsafeBlocks>来允许unsafe代码
public static unsafe bool MemcmpCompare(byte[]? x,byte[]? y)
{
if (ReferenceEquals(x, y)) return true;
if (x is null || y is null) return false;
if (x.Length != y.Length) return false;
// 在.NET程序的运行中，垃圾回收器可能会整理和压缩内存，这样会导致数组地址变动
// 所以，我们需要使用fixed关键字，将x和y数组'固定'在内存中，让GC不移动它
// 更多详情请看 https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/keywords/fixed-statement
fixed (byte* xPtr = x, yPtr = y)
{
return memcmp(xPtr, yPtr, x.Length) == 0;
}
}
}
那我们来跑个分吧，看看结果怎么样。
结果真的是Amazing呀，比我们使用的for循环方案足足快了80+%，从原来需要1.7ms左右到现在只需要300us。
64字长优化
那是不是证明C#就是没有C跑的那么快呢？C#那还有没有优化的空间呢？当然是有方法的，实际上memcmp使用的算法和我们现在用的不一样。
我们知道衡量算法的时间复杂度是使用大O来表示，而这个其实是代码执行时间随数据规模增长的变化趋势的一个体现。比如我输入的数据量大小为n，完成这个函数我近似需要执行n次，那么时间复杂度就是O(n)。
再来回到我们的问题中，在最坏的情况下(x和y引用不相等且的长度相等)，我们上面写的ForCompare就会进入for循环来遍历x和y每一个元素进行比较，所以它的时间复杂度就是O(n)，那么问题的关键就是如何降低它的时间复杂度。
一个数组它的地址空间是连续的，另外byte类型的长度是8bit，默认比较方式就像下图一样，一个元素一个元素的比较，也就是每8bit每8bit进行比较。
那我们能让他一次比较更多的位数吗？比如一次16位、32位、64位？当然是可以的，毕竟我们现在基本都是64位的CPU，不严谨的说实际上CPU一次能处理64位数据，那么我们如何让它一次性能比较64位呢？
有小伙伴就说，很简单嘛，byte是8bit，我们直接用long不就有64bit了吗？没错，就是这么简单，我们可以把byte*指针强转为long*指针，然后一次性比较64位，如下图所示。
上代码（我这用的是UInt64包装的ulong,一样是64位，没有符号位会更快一点）：
public static unsafe bool UlongCompare(byte[]? x, byte[]? y)
{
if (ReferenceEquals(x, y)) return true;
if (x is null || y is null) return false;
if (x.Length != y.Length) return false;
fixed (byte* xPtr = x, yPtr = y)
{
return UlongCompareInternal(xPtr, yPtr, x.Length);
}
}
private static unsafe bool UlongCompareInternal(byte* xPtr, byte* yPtr, int length)
{
// 指针+偏移量计算出数组最后一个元素地址
byte* lastAddr = xPtr + length;
byte* lastAddrMinus32 = lastAddr - 32;
while (xPtr < lastAddrMinus32) // 我们一次循环比较32字节，也就是256位
{
// 一次判断比较前64位
if (*(ulong*) xPtr != *(ulong*) yPtr) return false;
// 第二次从64为开始，比较接下来的64位，需要指针偏移64位，一个byte指针是8为，所以需要偏移8个位置才能到下一轮起始位置
// 所以代码就是xPtr+8
if (*(ulong*) (xPtr + 8) != *(ulong*) (yPtr + 8)) return false;
// 同上面一样，第三次从第128位开始比较64位
if (*(ulong*) (xPtr + 16) != *(ulong*) (yPtr + 16)) return false;
// 第四次从第192位开始比较64位
if (*(ulong*) (xPtr + 24) != *(ulong*) (yPtr + 24)) return false;
// 一轮总共比较了256位，让指针偏移256位
xPtr += 32;
yPtr += 32;
}
// 因为上面是一次性比较32字节(256位)，可能数组不能为32整除，最后只留下比如30字节，20字节
// 最后的几个字节，我们用循环来逐字节比较
while (xPtr < lastAddr)
{
if (*xPtr != *yPtr) return false;
xPtr++;
yPtr++;
}
return true;
}
那我们来跑个分吧。
可以看到基本和memcmp打平了，几us的差别可以看做是误差。大佬们一直说，C#是一门下限低，上限高的语言，你开心的话写出来的代码完全媲美C++，代码里面还能嵌入汇编，只是有点麻烦，O(∩_∩)O哈哈~
SIMD
那么我们就这样满足了吗？
小伙伴又问了，既然我们可以一次性比较64位，那我们能比较更多的位数吗？比如128位，256位？答案是当然可以，这个是CPU的一个技术，叫Single Instruction Multiple Data，简称为SIMD，SIMD主要就是说CPU中可以单条指令实现数据的并行处理，这类指令在数字信号处理、图像处理、以及多媒体信息处理等领域非常有效。
我们打开CPU-Z，可以看到指令集有很多，这都是CPU为了特殊的程序单独做的优化。
MMX：MMX 是MultiMedia eXtensions（多媒体扩展）的缩写，是第六代CPU芯片的重要特点。MMX技术是在CPU中加入了特地为视频信号(Video Signal)，音频信号(Audio Signal)以及图像处理(Graphical Manipulation)而设计的57条指令，因此，MMX CPU极大地提高了电脑的多媒体（如立体声、视频、三维动画等）处理功能。
SSE：SSE是 “因特网数据流单指令序列扩展 ( Internet Streaming SIMD Extensions)的缩写。SSE除保持原有的MMX指令外，又新增了70条指令，在加快浮点运算的同时，改善了内存的使用效率，使内存速度更快，后面有一些增强版SSE2、SSE3等等。
EM64T：Intel的EM64T技术，EM64T技术官方全名是Extended Memory 64 Technology，中文解释就是扩展64bit内存技术。
AES：AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）指令集，是专门为加密解密设计的，与此前相比AES加密/解密之性能高出3倍。
AVX：Advanced Vector eXtentions（AVX）在2008年由Intel与AMD提出，并于2011年分别在Sandy Bridge以及Bulldozer架构上提供⽀持。AVX的主要改进在于对寄存器长度的扩展以及提供了更灵活的指令集。 AVX对 XMM 寄存器做了扩展，从原来的128-bit扩展到了256-bit，256-bit的寄存器命名为 YMM 。YMM的低128-bit是与XMM混⽤ 的。
对于这些指令集，在.NET上提供了System.Runtime.Intrinsics.X86命名空间，其中支持了各种指令集原生的访问，想了解更多的东西，可以戳这个链接。由于SIMD在.NET上有着天然的支持，可以很方便的写出SIMD代码，而其它编程语言平台或多或少支持都不是很完美。
Sse
我们看到SSE系列的指令集可以操作128位，那我们就来试试128位会不会更快一些，直接上代码。
using System.Runtime.Intrinsics.X86; // 需要引入这个命名空间
namespace CompareByte;
public static class BytesCompare
{
......
public static unsafe bool Sse2Compare(byte[]? x, byte[]? y)
{
if (ReferenceEquals(x, y)) return true;
if (x is null || y is null) return false;
if (x.Length != y.Length) return false;
fixed (byte* xPtr = x, yPtr = y)
{
return Sse2CompareInternal(xPtr, yPtr, x.Length);
}
}
private static unsafe bool Sse2CompareInternal(byte* xPtr, byte* yPtr, int length)
// 这里的算法与64位大体一样，只是位数变成了128位
byte* lastAddr = xPtr + length;
byte* lastAddrMinus64 = lastAddr - 64;
const int mask = 0xFFFF;
while (xPtr < lastAddrMinus64)
// 使用Sse2.LoadVector128()各加载x和y的128位数据
// 再使用Sse2.CompareEqual()比较是否相等，它的返回值是一个128位向量，如果相等，该位置返回0xffff，否则返回0x0
// CompareEqual的结果是128位的，我们可以通过Sse2.MoveMask()来重新排列成32位，最终看是否等于0xffff就好
if (Sse2.MoveMask(Sse2.CompareEqual(Sse2.LoadVector128(xPtr), Sse2.LoadVector128(yPtr))) != mask)
{
return false;
}
if (Sse2.MoveMask(Sse2.CompareEqual(Sse2.LoadVector128(xPtr + 16), Sse2.LoadVector128(yPtr + 16))) != mask)
if (Sse2.MoveMask(Sse2.CompareEqual(Sse2.LoadVector128(xPtr + 32), Sse2.LoadVector128(yPtr + 32))) != mask)
if (Sse2.MoveMask(Sse2.CompareEqual(Sse2.LoadVector128(xPtr + 48), Sse2.LoadVector128(yPtr + 48))) != mask)
xPtr += 64;
yPtr += 64;
while (xPtr < lastAddr)
if (*xPtr != *yPtr) return false;
xPtr++;
yPtr++;
return true;
}
放到JIT里面看看，有没有生成SIMD代码，可以明显的看到汇编代码里面已经有了SIMD代码。
来看看跑分结果。
可以看到对比memcmp的方式快了2+%，那按道理来说从64位到128位应该快50%左右才对，为什么只快了2+%呢？
其实这是因为SIMD是单条指令多数据处理，其中运算还是CPU内部的64位单元处理，只是少了多条指令的开销。另外是因为原本64位是只比较了一次，而SIMD需要经历CompareEqual、MoveMask最后还需和mask掩码比较，总共次数多了2次。只能说明在我们的这个场景下，提升会比较有限。
需要注意目标平台需要能支持这些特殊的指令集，可以通过Sse2.IsSupported方法来判断。
Avx2
既然128位的SSE系列指令集能在原来的基础上提升2%，那我们来看看支持256位的Avx2指令集会提升多少。代码和SSE指令集几乎一样，只是调用的方法类名变动了。
using System.Runtime.Intrinsics.X86; // 需要引入这个命名空间
namespace CompareByte;
public static class BytesCompare
{
......
public static unsafe bool Avx2Compare(byte[]? x, byte[]? y)
{
if (ReferenceEquals(x, y)) return true;
if (x is null || y is null) return false;
if (x.Length != y.Length) return false;
fixed (byte* xPtr = x, yPtr = y)
{
return Avx2CompareInternal(xPtr, yPtr, x.Length);
}
}
private static unsafe bool Avx2CompareInternal(byte* xPtr, byte* yPtr, int length)
byte* lastAddr = xPtr + length;
byte* lastAddrMinus128 = lastAddr - 128;
const int mask = -1;
while (xPtr < lastAddrMinus128)
// 更换为Avx2指令集，一次加载256位
if (Avx2.MoveMask(Avx2.CompareEqual(Avx.LoadVector256(xPtr), Avx.LoadVector256(yPtr))) != mask)
{
return false;
}
if (Avx2.MoveMask(Avx2.CompareEqual(Avx.LoadVector256(xPtr + 32), Avx.LoadVector256(yPtr + 32))) != mask)
if (Avx2.MoveMask(Avx2.CompareEqual(Avx.LoadVector256(xPtr + 64), Avx.LoadVector256(yPtr + 64))) != mask)
if (Avx2.MoveMask(Avx2.CompareEqual(Avx.LoadVector256(xPtr + 96), Avx.LoadVector256(yPtr + 96))) != mask)
xPtr += 128;
yPtr += 128;
while (xPtr < lastAddr)
if (*xPtr != *yPtr) return false;
xPtr++;
yPtr++;
return true;
}
再来看看跑分结果。
可以看到，Avx2指令集对于memcmp和Sse2是有一定的提升的，有2+%左右的速度提升，另外相较于原本的for循环比较提升了86%。
SequenceCompare
那么是不是以后我们写比较两个数组相等的代码都要写这一长串的unsafe代码呢？其实并不是，在.NET Core时代引入了Span这个特性，这个特性就是为了能安全的直接操作内存；与此同时，也提供了SequenceEquals方法，能快速的比较两个序列，使用也非常简单，那究竟性能怎么样呢？我们上代码，跑个分。
// 代码非常简单，只需要调用System.Linq.SequenceEqual方法即可
public static bool SequenceCompare(byte[]? x, byte[]? y)
{
if (ReferenceEquals(x, y)) return true;
if (x is null || y is null) return false;
if (x.Length != y.Length) return false;
return x.SequenceEqual(y);
}
结果也是相当不错的，比memcmp和SSE2的方式都要快一点，略逊于Avx2，但是它用起来很简单，那么它是如何做到这么快的呢？让我们看看它的源码,
链接貌似也没有什么技巧，那是不是JIT编译的时候有优化，给自动向量化了呢？我们将代码复制出来，然后单独跑了一下，再用WinDBG打开，我们可以看到确实JIT优化引入了一些自动向量化(SIMD)的操作。
总结
通过这几种方案的对比，最推荐的用法当然就是直接使用.NET库提供的SequenceEquals方法来完成比较，如果是在.NET Framework中，由于没有这样的优化，所以大家也可以尝试上文中提到的SSE2等方法。
那么大家还有什么其它好的方式呢？欢迎在评论区留言！
笔者水平有限，如有错漏请批评指正 ：）
本文源码链接
参考文献
BenchmarkDotNet项目地址
BenchmarkDotNet帮助文档
MSCRT库参考
C# Interop
JVM的方法内联
.NET SIMD API
SSE2 Intrinsics各函数介绍
Checking equality for two byte arrays
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