真的要比较 for 和 foreach 的性能吗？（内附性能比较的实测数据）

小伙伴告诉我，List<T>.Find 方法比 List.FirstOrDefault 扩展方法性能更高，详见：C＃ Find vs FirstOrDefault - 林德熙。这可让我震惊了，因为我从来都没有考虑过在如此微观尺度衡量它们的性能差异。

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少不了的源码

于是，我立刻翻开了 Find 和 FirstOrDefault 的源代码：

public T Find(Predicate<T> match) {
    if( match == null) {
        ThrowHelper.ThrowArgumentNullException(ExceptionArgument.match);
    }
    Contract.EndContractBlock();

    for(int i = 0 ; i < _size; i++) {
        if(match(_items[i])) {
            return _items[i];
        }
    }
    return default(T);
}

public static TSource FirstOrDefault<TSource>(this IEnumerable<TSource> source, Func<TSource, bool> predicate) {
    if (source == null) throw Error.ArgumentNull("source");
    if (predicate == null) throw Error.ArgumentNull("predicate");
    foreach (TSource element in source) {
        if (predicate(element)) return element;
    }
    return default(TSource);
}

这难道不是在 PK for 和 foreach 吗？接下来的分析才发现，没这么简单。

Find V.S. FirstOrDefault

我写了两段代码，然后在单元测试中测量它们的性能。方法我按不同顺序写了两遍，试图降低初始化影响和偶然事件的影响。

[TestClass]
public class FindAndFirstOrDefaultTest
{
    public FindAndFirstOrDefaultTest()
    {
        _testTarget = new List<int>(count);
        for (var i = 0; i < count; i++)
        {
            _testTarget.Add(i);
        }
    }

    private const int count = 100;
    private readonly List<int> _testTarget;

    [TestMethod]
    public void _A0_Find()
    {
        _testTarget.Find(x => x > count - 1);
    }

    [TestMethod]
    public void _A1_FirstOrDefault()
    {
        _testTarget.FirstOrDefault(x => x > count - 1);
    }

    [TestMethod]
    public void _B0_FirstOrDefault2()
    {
        _testTarget.FirstOrDefault(x => x > count - 1);
    }

    [TestMethod]
    public void _B1_Find2()
    {
        _testTarget.Find(x => x > count - 1);
    }
}   

100 长度的 List<int>，其性能数据如下：

很明显，数据量太少不好测量，也收到单元测试本身的影响。我们需要增大数据量，以减少那些因素的影响。

居然真的存在性能差异！！！而且，Find 是 FirstOrDefault 性能的两倍！！！

这似乎能够解释，因为 foreach 毕竟还要生成 IEnumerator 对象，还要有方法调用；而 for 却只有 List<T> 集合的访问。然而，这真的只是 for 和 foreach 之间的性能差异吗？

for V.S. foreach

为了看看其性能差异来自于 for 和 foreach，我把 Find 和 FirstOrDefault 的调用修改为 for 和 foreach：

[TestClass]
public class ForAndForeachTest
{
    public ForAndForeachTest()
    {
        _testTarget = new List<int>(count);
        for (var i = 0; i < count; i++)
            _testTarget.Add(i);
    }

    private const int count = 100;
    private readonly List<int> _testTarget;

    [TestMethod]
    public void _A0_Find()
    {
        for (var i = 0; i < count; i++)
        {
            var target = _testTarget[i];
            if (target > count - 1) return;
        }
    }

    [TestMethod]
    public void _A1_FirstOrDefault()
    {
        foreach (var target in _testTarget)
        {
            if (target > count - 1) return;
        }
    }

    [TestMethod]
    public void _B0_FirstOrDefault2()
    {
        for (var i = 0; i < count; i++)
        {
            var target = _testTarget[i];
            if (target > count - 1) return;
        }
    }

    [TestMethod]
    public void _B1_Find2()
    {
        foreach (var target in _testTarget)
        {
            if (target > count - 1) return;
        }
    }
}

一样，100 长度的 List<int> 并没有参考性：

50000000 长度的则可以减少影响：

然而结论居然是——for 比 foreach 有“轻微”的性能优势！这与 Find 和 FirstOrDefault 两倍的性能差异就小多了。是什么原因造成了如此的性能差异呢？

轻微的性能优势，还是两倍的性能优势？

为了了解原因，我将 Find 和 FirstOrDefault 中的方法写到测试里面：

private int For(Predicate<int> match)
{
    for (var i = 0; i < count; i++)
    {
        if (match(_testTarget[i])) return _testTarget[i];
    }
    return default(int);
}

private int ForEach(Func<int, bool> predicate)
{
    foreach (var element in _testTarget)
    {
        if (predicate(element)) return element;
    }
    return default(int);
}

为了能够不让数据超过 1 秒导致单元测试计时精度降低，我将长度减小到了 40000000。

▲ 调用 For 和 Foreach

性能相比于直接写 for 和 foreach 有轻微的损失，但是调用 For 和调用 Foreach 却并没有两倍的性能差异，虽然方法的实现与 Find 和 FirstOrDefault 几乎一模一样！

而且，相同数量的 List<int>，调用 Find 居然比自己写的 For 更快，调用 FirstOrDefault 却比自己写的 Foreach 更慢：

▲ 调用 Find 和 FirstOrDefault

我写的 For 和 Find 中一定还存在着哪里不一样——对，是索引器！

以下是 List<T> 索引器的源码：

public T this[int index] {
    get {
        // Following trick can reduce the range check by one
        if ((uint) index >= (uint)_size) {
            ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException();
        }
        Contract.EndContractBlock();
        return _items[index]; 
    }

    set {
        if ((uint) index >= (uint)_size) {
            ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException();
        }
        Contract.EndContractBlock();
        _items[index] = value;
        _version++;
    }
}

我的 For 内部索引访问相比于 Find 内部索引访问多了数组越界判断，同时还可能存在 JIT 的特别优化。如果要验证这个问题，我就需要比较数组了。

List V.S. Array

改写我们的测试代码，这回的 For 方法有两个重载，一个列表一个数组。

private int For(List<int> list, Predicate<int> match)
{
    for (var i = 0; i < count; i++)
    {
        if (match(list[i])) return list[i];
    }
    return default(int);
}

private int For(int[] array, Predicate<int> match)
{
    for (var i = 0; i < count; i++)
    {
        if (match(array[i])) return array[i];
    }
    return default(int);
}

[TestMethod]
public void _A0_List()
{
    For(_testTarget, x => x > count - 1);
}

[TestMethod]
public void _A1_Array()
{
    For(_testArray, x => x > count - 1);
}

[TestMethod]
public void _B0_Array()
{
    For(_testArray, x => x > count - 1);
}

[TestMethod]
public void _B1_List()
{
    For(_testTarget, x => x > count - 1);
}

同样的数据量：

可以发现，即便是数组，其性能也赶不上原生的 Find。

只有现象，却没有结论

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参考资料

• C＃ Find vs FirstOrDefault - 林德熙
• c# - In .NET, which loop runs faster, ‘for’ or ‘foreach’? - Stack Overflow
• An easy and efficient way to improve .NET code performances - Patrick Smacchia
• C# For Versus Foreach Performance - Dot Net Perls

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