【C#】C#での演算用インターフェイスの高速化

高速化のほか演算子オーバーロードのジェネリック対応などにも応用が効く手法です。

演算インターフェイス

公式の用語ではないですが、本記事では

publicinterfaceIComparer<inT>{intCompare(Tx,Ty);}

のように引数に対する演算を定義する型を 演算インターフェイスと呼ぶことにします。

演算インターフェイスの実現

このような演算インターフェイスのような機能を実現するには大きく2つのアプローチがあります。

1. 演算インターフェイスを引数で受け取る

publicclassArray{publicstaticvoidSort<T>(T[]array,IComparer<T>comparer);}

のような方式です。

Javaではデリゲートが存在しないのですべてこのような形式です。

2. 演算をデリゲート型で受け取る

publicclassArray{publicstaticvoidSort<T>(T[]array,Comparison<T>comparison);}

のような方式です。

提案手法

1'. 演算インターフェイス制約をつけて引数で受け取る

publicclassArray{// 実際には存在しないメソッドですpublicstaticvoidSort<T,TOp>(T[]array,TOpcomparer)whereTOp:IComparer<T>;}

演算インターフェイスを直接受け取らずに、ジェネリック型制約で渡します。

TOp型を structで実装することで高速化が期待できます。

ベンチマーク

二分探索で関数の極小値を求めるコードで試してみます。

コード

usingSystem;usingBenchmarkDotNet.Attributes;usingBenchmarkDotNet.Configs;usingBenchmarkDotNet.Diagnosers;usingBenchmarkDotNet.Jobs;usingBenchmarkDotNet.Running;usingBenchmarkDotNet.Toolchains.CsProj;_=BenchmarkRunner.Run(typeof(Benchmark).Assembly);publicclassBenchmarkConfig:ManualConfig{publicBenchmarkConfig(){AddExporter(BenchmarkDotNet.Exporters.MarkdownExporter.GitHub);AddJob(Job.ShortRun);}}[Config(typeof(BenchmarkConfig))]publicunsafeclassBenchmark{publicstaticdoubleF(doublex)=>2*x*x+4*x+5;[Benchmark(Baseline=true)]publicdoubleDirect(){doubleok=100000000000;doubleng=-100000000000;while(Math.Abs(ok-ng)>1e-8){varm=(ok+ng)/2;if(F(m)<F(m+1e-8))ok=m;elseng=m;}returnok;}publicstaticdoubleBinarySearch(doubleok,doubleng,Predicate<double>isOk){while(Math.Abs(ok-ng)>1e-8){varm=(ok+ng)/2;if(isOk(m))ok=m;elseng=m;}returnok;}publicstaticdoubleBinarySearch(doubleok,doubleng,delegate*<double,bool>isOk){while(Math.Abs(ok-ng)>1e-8){varm=(ok+ng)/2;if(isOk(m))ok=m;elseng=m;}returnok;}publicstaticdoubleBinarySearch(doubleok,doubleng,IOk<double>op){while(Math.Abs(ok-ng)>1e-8){varm=(ok+ng)/2;if(op.Ok(m))ok=m;elseng=m;}returnok;}publicstaticdoubleBinarySearch<TOk>(doubleok,doubleng,TOkop)whereTOk:IOk<double>{while(Math.Abs(ok-ng)>1e-8){varm=(ok+ng)/2;if(op.Ok(m))ok=m;elseng=m;}returnok;}publicinterfaceIOk<T>{boolOk(Tvalue);}structOkStruct:IOk<double>{publicboolOk(doublev)=>F(v)<F(v+1e-8);}classOkClass:IOk<double>{publicboolOk(doublev)=>F(v)<F(v+1e-8);}[Benchmark]publicdoubleLambda()=>BinarySearch(100000000000,-100000000000,v=>F(v)<F(v+1e-8));[Benchmark]publicdoubleFunctionPointer()=>BinarySearch(100000000000,-100000000000,&Fp);privatestaticboolFp(doublev)=>F(v)<F(v+1e-8);[Benchmark]publicdoubleOperatorStruct()=>BinarySearch(100000000000,-100000000000,newOkStruct());[Benchmark]publicdoubleOperatorClass()=>BinarySearch(100000000000,-100000000000,newOkClass());[Benchmark]publicdoubleOperatorInterfaceStruct()=>BinarySearch(100000000000,-100000000000,(IOk<double>)newOkStruct());[Benchmark]publicdoubleOperatorInterfaceClass()=>BinarySearch(100000000000,-100000000000,(IOk<double>)newOkClass());}

結果

BenchmarkDotNet=v0.12.1, OS=Windows 10.0.19042IntelCorei7-4790CPU3.60GHz(Haswell),1CPU,8logicaland4physicalcores.NETCoreSDK=5.0.101[Host]:.NETCore5.0.1(CoreCLR5.0.120.57516,CoreFX5.0.120.57516),X64RyuJITShortRun:.NETCore5.0.1(CoreCLR5.0.120.57516,CoreFX5.0.120.57516),X64RyuJITJob=ShortRun  IterationCount=3  LaunchCount=1  WarmupCount=3

Method	Mean	Error	StdDev	Ratio	RatioSD
Direct	446.4 ns	136.00 ns	7.45 ns	1.00	0.00
Lambda	658.4 ns	93.17 ns	5.11 ns	1.48	0.01
FunctionPointer	689.9 ns	164.93 ns	9.04 ns	1.55	0.04
OperatorStruct	463.3 ns	253.98 ns	13.92 ns	1.04	0.03
OperatorClass	748.3 ns	207.55 ns	11.38 ns	1.68	0.05
OperatorInterfaceStruct	857.2 ns	824.01 ns	45.17 ns	1.92	0.10
OperatorInterfaceClass	759.3 ns	206.67 ns	11.33 ns	1.70	0.01