c# - ¿Cuál es la razón detrás de esta gran diferencia de rendimiento en.Net 4?

data-structures performance

Question

Estaba haciendo una investigación sobre RedBlack Tree. Sabía que la clase SortedSet en .Net 4.0 usa el árbol RedBlack. Así que saqué esa parte porque estaba usando Reflector y creé una clase RedBlackTree. Ahora estoy ejecutando algunas pruebas de rendimiento en este RedBlackTree y SortedSet insertando 40000 valores integrales secuenciales (desde 0 hasta 39999), me sorprende ver que hay una gran diferencia de rendimiento de la siguiente manera:

 RBTree    took 9.27208   sec to insert 40000 values 
 SortedSet took 0.0253097 sec to insert 40000 values

¿Cuál es la razón detrás de esto? Por cierto, ejecuté la prueba solo en la configuración de la versión y aquí está el pequeño código de prueba

            var stopWatch = new Stopwatch();
            var rbT = new RedBlackTree<int>();      
        stopWatch = new Stopwatch();
        stopWatch.Start();
        for (int i = 0; i < 40000; i++) {
            rbT.Add(i);
        }
        stopWatch.Stop();
        Console.WriteLine(stopWatch.Elapsed);

        var ss = new SortedSet<int>();
        stopWatch = new Stopwatch();
        stopWatch.Start();
        for (int i = 0; i < 40000; i++) {
            ss.Add(i);
        }
        stopWatch.Stop();
        Console.WriteLine(stopWatch.Elapsed);

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Me gustaría compartir el código también para RBTree lo que he extraído para que también pueda ejecutar los diagnósticos

public class Node<T>
    {
        public Node(){}

        public Node(T value)
        {
            Item = value;
        }       

        public Node(T value, bool isRed)
        {
            Item = value;
            IsRed = isRed;
        }

        public T Item;
        public Node<T> Left;
        public Node<T> Right;
        public Node<T> Parent;
        public bool IsRed;
    }

    public class RedBlackTree<T>
    {
        public RedBlackTree(){} 

        public Node<T> root;
        int count, version; 
        Comparer<T> comparer = Comparer<T>.Default;     

        public void Add(T item)
        {
            if (this.root == null)
            {
                this.root = new Node<T>(item, false);
                this.count = 1;
                this.version++;
                return;
            }

            Node<T> root = this.root;
            Node<T> node = null;
            Node<T> grandParent = null;
            Node<T> greatGrandParent = null;
            this.version++;

            int num = 0;
            while (root != null)
            {
                num = this.comparer.Compare(item, root.Item);
                if (num == 0)
                {
                    this.root.IsRed = false;
                    return;
                }
                if (Is4Node(root))
                {
                    Split4Node(root);
                    if (IsRed(node))
                    {
                        this.InsertionBalance(root, ref node, grandParent, greatGrandParent);
                    }
                }
                greatGrandParent = grandParent;
                grandParent = node;
                node = root;
                root = (num < 0) ? root.Left : root.Right;
            }
            Node<T> current = new Node<T>(item);
            if (num > 0)
            {
                node.Right = current;
            }
            else
            {
                node.Left = current;
            }
            if (node.IsRed)
            {
                this.InsertionBalance(current, ref node, grandParent, greatGrandParent);
            }
            this.root.IsRed = false;
            this.count++;
        }


        private static bool IsRed(Node<T> node)
        {
            return ((node != null) && node.IsRed);
        }

        private static bool Is4Node(Node<T> node)
        {
            return (IsRed(node.Left) && IsRed(node.Right));
        }

        private static void Split4Node(Node<T> node)
        {
            node.IsRed = true;
            node.Left.IsRed = false;
            node.Right.IsRed = false;
        }

        private void InsertionBalance(Node<T> current, ref Node<T> parent, Node<T> grandParent, Node<T> greatGrandParent)
        {
            Node<T> node;
            bool flag = grandParent.Right == parent;
            bool flag2 = parent.Right == current;
            if (flag == flag2)
            {
                node = flag2 ? RotateLeft(grandParent) : RotateRight(grandParent);
            }
            else
            {
                node = flag2 ? RotateLeftRight(grandParent) : RotateRightLeft(grandParent);
                parent = greatGrandParent;
            }
            grandParent.IsRed = true;
            node.IsRed = false;
            ReplaceChildOfNodeOrRoot(greatGrandParent, grandParent, node);
        }

        private static Node<T> RotateLeft(Node<T> node)
        {
            Node<T> right = node.Right;
            node.Right = right.Left;
            right.Left = node;
            return right;
        }

        private static Node<T> RotateRight(Node<T> node)
        {
            Node<T> left = node.Left;
            node.Left = left.Right;
            left.Right = node;
            return left;
        }

        private static Node<T> RotateLeftRight(Node<T> node)
        {
            Node<T> left = node.Left;
            Node<T> right = left.Right;
            node.Left = right.Right;
            right.Right = node;
            left.Right = right.Left;
            right.Left = left;
            return right;
        }

        private static Node<T> RotateRightLeft(Node<T> node)
        {
            Node<T> right = node.Right;
            Node<T> left = right.Left;
            node.Right = left.Left;
            left.Left = node;
            right.Left = left.Right;
            left.Right = right;
            return left;
        }

        private void ReplaceChildOfNodeOrRoot(Node<T> parent, Node<T> child, Node<T> newChild)
        {
            if (parent != null)
            {
                if (parent.Left == child)
                {
                    parent.Left = newChild;
                }
                else
                {
                    parent.Right = newChild;
                }
            }
            else
            {
                this.root = newChild;
            }
        }
    }

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Corrí el mismo diagnóstico en otra estructura de datos (algunos creados por mí *, algunos desde .net framework **) y aquí están los resultados interesantes.

*AATree                 00:00:00.0309294
*AVLTree                00:00:00.0129743
**SortedDictionary      00:00:00.0313571
*RBTree                 00:00:09.2414156
**SortedSet             00:00:00.0241973

RBTree es el mismo que el anterior (excluido de la clase SortedSet). También probé con valores de 400000, pero RBTree parece estar tomando FOREVER , realmente no sé por qué.

Answer 1

1. Invierta el orden de las pruebas y repita la medición.
2. aleatorizar sus datos Los conjuntos ordenados se comportan de forma extraña cuando se insertan datos previamente ordenados.

Answer 2

Si la diferencia no fuera tan grande, sugeriría que la causa es que los ensamblados .NET son NGen-ed y, por lo tanto, ya están traducidos al código nativo. En el caso de su clase, el tiempo para compilar el código IL en código nativo se amortiza durante el tiempo de su prueba. ¿Cómo afecta el aumento de la cantidad de iteraciones de bucle a los tiempos?

Answer 3

SortedSet incluye un atributo TargetedPatchingOptOut , ¿su versión copiada incluye eso?

[TargetedPatchingOptOut("Performance critical to inline this type of method across NGen image boundaries")]
public bool Add(T item)
{
    return this.AddIfNotPresent(item);
}

Answer 4

Tienes un error en tu clase Node<T> . Cuando llama al constructor que solo toma un argumento de valor único, debe establecer IsRed en true .

Supongo que la clase Node<T> debería tener un aspecto similar al siguiente:

public sealed class Node<T>
{
    public T Item { get; private set; }
    public bool IsRed { get; set; }
    public Node<T> Left { get; set; }
    public Node<T> Right { get; set; }

    public Node(T value)
    {
        Item = value;
        IsRed = true;
    }

    public Node(T value, bool isRed)
    {
        Item = value;
        IsRed = isRed;
    }
}

Otra opción, mi preferencia, sería omitir ese constructor por completo y siempre requerir que se establezca IsRed explícitamente cuando se crea una instancia de un nuevo nodo:

public sealed class Node<T>
{
    public T Item { get; private set; }
    public bool IsRed { get; set; }
    public Node<T> Left { get; set; }
    public Node<T> Right { get; set; }

    public Node(T value, bool isRed)
    {
        Item = value;
        IsRed = isRed;
    }
}

Y luego reemplace esta línea en su método Add ...

Node<T> current = new Node<T>(item);

...con este...

Node<T> current = new Node<T>(item, true);