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C# vs C++ 全局照明渲染性能比试
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c="http://www.itdaan.com/imgs/9/8/8/8/27/2ff0defba00da47c9e5147381f27acbf.jpe" width="512"" height="512" border="0">
512x512像素，每像素1000采样，C#版本渲染时间为40分47秒
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2x2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 <math.h> // smallpt, a Path Tracer by Kevin Beason, 2008
#include <stdlib.h> // Make : g++ -O3 -fopenmp smallpt.cpp -o smallpt
#include <stdio.h> // Remove "-fopenmp" for g++ version < 4.2
#include <time.h> // 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 (det<0) return 0; else det=sqrt(det);
return (t=b-det)>eps ? 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 x<0 ? 0 : x>1 ? 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))&&d<t){t=d;id=i;}
return t<inf;
}
Vec radiance(const Ray &r, int depth, unsigned short *Xi){
double t; // distance to intersection
int id=0; // id of intersected object
if (!intersect(r, t, id)) return Vec(); // if miss, return black
const Sphere &obj = spheres[id]; // the hit object
Vec x=r.o+r.d*t, n=(x-obj.p).norm(), nl=n.dot(r.d)<0?n:n*-1, f=obj.c;
double p = f.x>f.y && f.x>f.z ? f.x : f.y>f.z ? f.y : f.z; // max refl
if (++depth>5) if (erand48(Xi)<p) f=f*(1/p); else return obj.e; //R.R.
if (depth > 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))<0) // Total internal reflection
return obj.e + f.mult(radiance(reflRay,depth,Xi));
Vec tdir = (r.d*nnt - n*((into?1:-1)*(ddn*nnt+sqrt(cos2t)))).norm();
double a=nt-nc, b=nt+nc, R0=a*a/(b*b), c = 1-(into?-ddn:tdir.dot(n));
double Re=R0+(1-R0)*c*c*c*c*c,Tr=1-Re,P=.25+.5*Re,RP=Re/P,TP=Tr/(1-P);
return obj.e + f.mult(depth>2 ? (erand48(Xi)<P ? // Russian roulette
radiance(reflRay,depth,Xi)*RP:radiance(Ray(x,tdir),depth,Xi)*TP) :
radiance(reflRay,depth,Xi)*Re+radiance(Ray(x,tdir),depth,Xi)*Tr);
}
int main(int argc, char *argv[]){
clock_t start = clock(); // MILO
int w=512, h=512, samps = argc==2 ? atoi(argv[1])/4 : 250; // # samples
Ray cam(Vec(50,52,295.6), Vec(0,-0.042612,-1).norm()); // cam pos, dir
Vec cx=Vec(w*.5135/h), cy=(cx%cam.d).norm()*.5135, r, *c=new Vec[w*h];
#pragma omp parallel for schedule(dynamic, 1) private(r) // OpenMP
for (int y=0; y<h; y++){ // Loop over image rows
fprintf(stderr,"\rRendering (%d spp) %5.2f%%",samps*4,100.*y/(h-1));
unsigned short Xi[3]={0,0,y*y*y}; // MILO
for (unsigned short x=0; x<w; x++) // Loop cols
for (int sy=0, i=(h-y-1)*w+x; sy<2; sy++) // 2x2 subpixel rows
for (int sx=0; sx<2; sx++, r=Vec()){ // 2x2 subpixel cols
for (int s=0; s<samps; s++){
double r1=2*erand48(Xi), dx=r1<1 ? sqrt(r1)-1: 1-sqrt(2-r1);
double r2=2*erand48(Xi), dy=r2<1 ? sqrt(r2)-1: 1-sqrt(2-r2);
Vec d = cx*( ( (sx+.5 + dx)/2 + x)/w - .5) +
cy*( ( (sy+.5 + dy)/2 + y)/h - .5) + cam.d;
r = r + radiance(Ray(cam.o+d*140,d.norm()),0,Xi)*(1./samps);
} // Camera rays are pushed ^^^^^ forward to start in interior
c[i] = c[i] + Vec(clamp(r.x),clamp(r.y),clamp(r.z))*.25;
}
}
printf("\n%f sec\n", (float)(clock() - start)/CLOCKS_PER_SEC); // MILO
FILE *f = fopen("image.ppm", "w"); // Write image to PPM file.
fprintf(f, "P3\n%d %d\n%d\n", w, h, 255);
for (int i=0; i<w*h; i++)
fprintf(f,"%d %d %d ", toInt(c[i].x), toInt(c[i].y), toInt(c[i].z));
}
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<0) return 0;else det=Math.Sqrt(det);
return (t=b-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<0?0 : 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 && d<t) { t=d;id=i;}
return t<inf;
}
static Vec radiance(Ray r,int depth) {
double t=0; // distance to intersection
int id=0; // id of intersected object
if (!intersect(r,ref t,ref id)) return new Vec();// if miss,return black
Sphere obj=spheres[id]; // the hit object
Vec x=r.o+r.d*t,n=(x-obj.p).norm(),nl=n.dot(r.d)<0?n:n*-1,f=obj.c;
double p=f.x>f.y&&f.x>f.z?f.x:f.y>f.z?f.y:f.z;//max refl
if (++depth > 5) if (erand48()<p) f=f*(1 / p);else return obj.e;//R.R.
if (depth > 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))<0) //Total internal reflection
return obj.e+f.mult(radiance(reflRay,depth));
Vec tdir=(r.d*nnt-n*((into?1:-1)*(ddn*nnt+Math.Sqrt(cos2t)))).norm();
double a=nt-nc,b=nt+nc,R0=a*a/(b*b),c=1-(into?-ddn:tdir.dot(n));
double Re=R0+(1-R0)*c*c*c*c*c,Tr=1-Re,P=.25+.5*Re,RP=Re/P,TP=Tr/(1-P);
return obj.e+f.mult(depth > 2?(erand48()<P? // Russian roulette
radiance(reflRay,depth)*RP:radiance(new Ray(x,tdir),depth)*TP):
radiance(reflRay,depth)*Re+radiance(new Ray(x,tdir),depth)*Tr);
}
public static void Main(string[] args) {
DateTime start=DateTime.Now;
int w=256,h=256,samps=args.Length==2?int.Parse(args[1])/4:25;// # samples
Ray cam=new Ray(new Vec(50,52,295.6),new Vec(0,-0.042612,-1).norm());//cam pos,dir
Vec cx=new Vec(w*.5135/h,0,0),cy=(cx%cam.d).norm()*.5135,r;Vec[] c=new Vec[w*h];
for (int y=0;y<h;y++) { // Loop over image rows
Console.Write("\rRendering ({0}spp) {1:F2}%",samps*4,100.0*y/(h-1));
for (int x=0;x<w;x++) // Loop cols
for (int sy=0,i=(h-y-1)*w+x;sy<2;sy++) // 2x2 subpixel rows
for (int sx=0;sx<2;sx++) { // 2x2 subpixel cols
r=new Vec();
for (int s=0;s<samps;s++) {
double r1=2*erand48(),dx=r1<1?Math.Sqrt(r1)-1:1-Math.Sqrt(2-r1);
double r2=2*erand48(),dy=r2<1?Math.Sqrt(r2)-1:1-Math.Sqrt(2-r2);
Vec d=cx*(((sx+.5+dx)/2+x)/w-.5)+
cy*(((sy+.5+dy)/2+y)/h-.5)+cam.d;
r=r+radiance(new Ray(cam.o+d*140,d.norm()),0)*(1.0/samps);
} // Camera rays are pushed ^^^^^ forward to start in interior
c[i]=c[i]+new Vec(clamp(r.x),clamp(r.y),clamp(r.z))*.25;
}
}
Console.WriteLine("\n{0} sec",(DateTime.Now-start).TotalSeconds);
using (StreamWriter sw=new StreamWriter("image.ppm")) {
sw.Write("P3\r\n{0} {1}\r\n{2}\r\n",w,h,255);
for (int i=0;i<w*h;i++)
sw.Write("{0} {1} {2}\r\n",toInt(c[i].x),toInt(c[i].y),toInt(c[i].z));
sw.Close();
}
}
}
}
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。
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