C# vs C++ 全局照明渲染性能比试

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。

#include    // smallpt, a Path Tracer by Kevin Beason, 2008
#include  // Make : g++ -O3 -fopenmp smallpt.cpp -o smallpt
#include   //        Remove "-fopenmp" for g++ version < 4.2
#include        // MILO
#include "erand48.inc"  // MILO
#define M_PI 3.141592653589793238462643 // MILO
struct Vec {        // Usage: time ./smallpt 5000 && xv image.ppm
  double x, y, z;                  // position, also color (r,g,b)
  Vec(double x_=0, double y_=0, double z_=0){ x=x_; y=y_; z=z_; }
  Vec operator+(const Vec &b) const { return Vec(x+b.x,y+b.y,z+b.z); }
  Vec operator-(const Vec &b) const { return Vec(x-b.x,y-b.y,z-b.z); }
  Vec operator*(double b) const { return Vec(x*b,y*b,z*b); }
  Vec mult(const Vec &b) const { return Vec(x*b.x,y*b.y,z*b.z); }
  Vec& norm(){ return *this = *this * (1/sqrt(x*x+y*y+z*z)); }
  double dot(const Vec &b) const { return x*b.x+y*b.y+z*b.z; } // cross:
  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);}
};
struct Ray { Vec o, d; Ray(const Vec &o_, const Vec &d_) : o(o_), d(d_) {} };
enum Refl_t { DIFF, SPEC, REFR };  // material types, used in radiance()
struct Sphere {
  double rad;       // radius
  Vec p, e, c;      // position, emission, color
  Refl_t refl;      // reflection type (DIFFuse, SPECular, REFRactive)
  Sphere(double rad_, Vec p_, Vec e_, Vec c_, Refl_t refl_):
    rad(rad_), p(p_), e(e_), c(c_), refl(refl_) {}
  double intersect(const Ray &r) const { // returns distance, 0 if nohit
    Vec op = p-r.o; // Solve t^2*d.d + 2*t*(o-p).d + (o-p).(o-p)-R^2 = 0
    double t, eps=1e-4, b=op.dot(r.d), det=b*b-op.dot(op)+rad*rad;
    if (deteps ? t : ((t=b+det)>eps ? t : 0);
  }
};
Sphere spheres[] = {//Scene: radius, position, emission, color, material
  Sphere(1e5, Vec( 1e5+1,40.8,81.6), Vec(),Vec(.75,.25,.25),DIFF),//Left
  Sphere(1e5, Vec(-1e5+99,40.8,81.6),Vec(),Vec(.25,.25,.75),DIFF),//Rght
  Sphere(1e5, Vec(50,40.8, 1e5),     Vec(),Vec(.75,.75,.75),DIFF),//Back
  Sphere(1e5, Vec(50,40.8,-1e5+170), Vec(),Vec(),           DIFF),//Frnt
  Sphere(1e5, Vec(50, 1e5, 81.6),    Vec(),Vec(.75,.75,.75),DIFF),//Botm
  Sphere(1e5, Vec(50,-1e5+81.6,81.6),Vec(),Vec(.75,.75,.75),DIFF),//Top
  Sphere(16.5,Vec(27,16.5,47),       Vec(),Vec(1,1,1)*.999, SPEC),//Mirr
  Sphere(16.5,Vec(73,16.5,78),       Vec(),Vec(1,1,1)*.999, REFR),//Glas
  Sphere(600, Vec(50,681.6-.27,81.6),Vec(12,12,12),  Vec(), DIFF) //Lite
};
inline double clamp(double x){ return x1 ? 1 : x; }
inline int toInt(double x){ return int(pow(clamp(x),1/2.2)*255+.5); }
inline bool intersect(const Ray &r, double &t, int &id){
  double n=sizeof(spheres)/sizeof(Sphere), d, inf=t=1e20;
  for(int i=int(n);i--;) if((d=spheres[i].intersect(r))&&df.y && f.x>f.z ? f.x : f.y>f.z ? f.y : f.z; // max refl
  if (++depth>5) if (erand48(Xi) 100) return obj.e; // MILO
  if (obj.refl == DIFF){                  // Ideal DIFFUSE reflection
    double r1=2*M_PI*erand48(Xi), r2=erand48(Xi), r2s=sqrt(r2);
    Vec w=nl, u=((fabs(w.x)>.1?Vec(0,1):Vec(1))%w).norm(), v=w%u;
    Vec d = (u*cos(r1)*r2s + v*sin(r1)*r2s + w*sqrt(1-r2)).norm();
    return obj.e + f.mult(radiance(Ray(x,d),depth,Xi));
  } else if (obj.refl == SPEC)            // Ideal SPECULAR reflection
    return obj.e + f.mult(radiance(Ray(x,r.d-n*2*n.dot(r.d)),depth,Xi));
  Ray reflRay(x, r.d-n*2*n.dot(r.d));     // Ideal dielectric REFRACTION
  bool into = n.dot(nl)>0;                // Ray from outside going in?

  double nc=1, nt=1.5, nnt=into?nc/nt:nt/nc, ddn=r.d.dot(nl), cos2t;
  if ((cos2t=1-nnt*nnt*(1-ddn*ddn))2 ? (erand48(Xi)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using System;
using System.IO;
namespace smallpt_cs {
struct Vec {        // Usage: time ./smallpt 5000 && xv image.ppm
   public double x,y,z;                 // position,also color (r,g,b)
   public Vec(double x_,double y_,double z_) {x=x_;y=y_;z=z_;}
   public static Vec operator +(Vec a,Vec b) {return new Vec(a.x+b.x,a.y+b.y,a.z+b.z);}
   public static Vec operator -(Vec a,Vec b) {return new Vec(a.x-b.x,a.y-b.y,a.z-b.z);}
   public static Vec operator *(Vec a,double b) {return new Vec(a.x*b,a.y*b,a.z*b);}
   public Vec mult(Vec b) { return new Vec(x*b.x,y*b.y,z*b.z);}
   public Vec norm() { return this=this*(1/Math.Sqrt(x*x+y*y+z*z));}
   public double dot(Vec b) { return x*b.x+y*b.y+z*b.z;}//cross:
   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);}
}
enum Refl_t { DIFF,SPEC,REFR }; // material types,used in radiance()
struct Ray { public Vec o,d;public Ray(Vec o_,Vec d_) { o=o_;d=d_;} }
class Sphere {
  public double rad;      // radius
  public Vec p,e,c;     // position,emission,color
  public Refl_t refl;     // reflection type (DIFFuse,SPECular,REFRactive)
  public Sphere(double rad_,Vec p_,Vec e_,Vec c_,Refl_t refl_) {
    rad=rad_;p=p_;e=e_;c=c_;refl=refl_;
  }
  public double intersect(Ray r)
  { // returns distance,0 if nohit
    Vec op=p-r.o;// Solve t^2*d.d+2*t*(o-p).d+(o-p).(o-p)-R^2=0
    double t,eps=1e-4,b=op.dot(r.d),det=b*b-op.dot(op)+rad*rad;
    if (det eps?t : ((t=b+det) > eps?t : 0);
  }
};
class smallpt {
  static Random random=new Random();
  static double erand48() { return random.NextDouble();}
  static Sphere[] spheres={//Scene: radius,position,emission,color,material
    new Sphere(1e5,new Vec( 1e5+1,40.8,81.6), new Vec(),new Vec(.75,.25,.25),Refl_t.DIFF),//Left
    new Sphere(1e5,new Vec(-1e5+99,40.8,81.6),new Vec(),new Vec(.25,.25,.75),Refl_t.DIFF),//Rght
    new Sphere(1e5,new Vec(50,40.8,1e5),      new Vec(),new Vec(.75,.75,.75),Refl_t.DIFF),//Back
    new Sphere(1e5,new Vec(50,40.8,-1e5+170), new Vec(),new Vec(),           Refl_t.DIFF),//Frnt
    new Sphere(1e5,new Vec(50,1e5,81.6),      new Vec(),new Vec(.75,.75,.75),Refl_t.DIFF),//Botm
    new Sphere(1e5,new Vec(50,-1e5+81.6,81.6),new Vec(),new Vec(.75,.75,.75),Refl_t.DIFF),//Top
    new Sphere(16.5,new Vec(27,16.5,47),      new Vec(),new Vec(1,1,1)*.999, Refl_t.SPEC),//Mirr
    new Sphere(16.5,new Vec(73,16.5,78),      new Vec(),new Vec(1,1,1)*.999, Refl_t.REFR),//Glas
    new Sphere(600,new Vec(50,681.6-.27,81.6),new Vec(12,12,12), new Vec(),  Refl_t.DIFF) //Lite
  };
  static double clamp(double x) { return x 1?1 : x;}
  static int toInt(double x) { return (int)(Math.Pow(clamp(x),1 / 2.2)*255+.5);}
  static bool intersect(Ray r,ref double t,ref int id) {
    double d,inf=t=1e20;
    for (int i=spheres.Length-1;i >= 0;i--)
      if ((d=spheres[i].intersect(r)) != 0 && df.y&&f.x>f.z?f.x:f.y>f.z?f.y:f.z;//max refl
    if (++depth > 5) if (erand48() 100) return obj.e;
    if (obj.refl == Refl_t.DIFF) {                  // Ideal DIFFUSE reflection
      double r1=2*Math.PI*erand48(),r2=erand48(),r2s=Math.Sqrt(r2);
      Vec w=nl,u=((Math.Abs(w.x)>.1?new Vec(0,1,0):new Vec(1,0,0))%w).norm(),v=w%u;
      Vec d=(u*Math.Cos(r1)*r2s+v*Math.Sin(r1)*r2s+w*Math.Sqrt(1-r2)).norm();
      return obj.e+f.mult(radiance(new Ray(x,d),depth));
    }
    else if (obj.refl == Refl_t.SPEC)            // Ideal SPECULAR reflection
      return obj.e+f.mult(radiance(new Ray(x,r.d-n*2*n.dot(r.d)),depth));
    Ray reflRay=new Ray(x,r.d-n*2*n.dot(r.d));//IdealdielectricREFRACTION
    bool into=n.dot(nl) > 0;               // Ray from outside going in?

    double nc=1,nt=1.5,nnt=into?nc / nt : nt / nc,ddn=r.d.dot(nl),cos2t;
    if ((cos2t=1-nnt*nnt*(1-ddn*ddn)) 2?(erand48()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512x512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。

Original: https://www.cnblogs.com/miloyip/archive/2010/06/23/cpp_vs_cs_GI.html
Author: Milo Yip
Title: C# vs C++ 全局照明渲染性能比试