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前言评测方案几种不同的方案Memcmp64字长优化SIMDSseAvx2SequenceCompare总结参考文献前言
之前在群里面有群友问过一个这样的问题，在.NET中如何快速的比较两个byte数组是否完全相等，听起来是一个比较两个byte数组是完全相等是一个简单的问题，但是深入研究以后，觉得还是有很多方案的，这里和大家一起分享下。
评测方案
这里为了评测不同方案的性能，我们用到了BenchmarkDotNet这个库，这个库目前已经被收入.NET基金会下，BenchmarkDotNet可以很方便的评测方法执行的性能，支持几乎所有的.NET运行环境，并且能输出详细的报表。使用起来也非常简单，你只需要安装BenchmakrDotNet的Nuget包，然后使用其提供的类和方法即可，这里是它的项目地址和帮助文档。
BenchmarkDotNet项目地址
BenchmarkDotNet帮助文档
我们通过BenchmarkDotNet来构建一个这样的评测用例.
using BenchmarkDotNet.Attributes;using BenchmarkDotNet.Running;using CompareByte;// 需要引入BenchmarkDotNet的命名空间// 运行Benchmark相当简单，只需要执行这个静态方法，泛型是需要评测的类var summary = BenchmarkRunner.Run<BenchmarkCompareMethod>();// 我们需要一些评测内存结果信息// 并且生成HTML报表[MemoryDiagnoser][HtmlExporter]public class BenchmarkCompareMethod{ // 准备两个数组，填充4MB大小的数据 private static readonly byte[] XBytes = Enumerable.Range(0, 4096000).Select(c => (byte) c).ToArray(); private static readonly byte[] YBytes = Enumerable.Range(0, 4096000).Select(c => (byte) c).ToArray(); public BenchmarkCompareMethod() { // 修改数组最后一个元素，使其不同 XBytes[4095999] = 1; YBytes[4095999] = 2; } [Benchmark(Baseline = true)] public void ForCompare() { ..... }}需要注意的是，为了保证评测的结果与生产环境一致，BenchmarkDotNet是要求使用Release模式运行程序，这样的话不仅代码编译成IL时优化，程序运行中JIT也会更加积极的参与生产机器码优化。需要在项目文件夹下面使用dotnet run -c Release来运行评测。
几种不同的方案
For循环
一开始看到这个需求，第一个想到的就是直接使用for循环对byte[]进行按下标比较，我觉得也是大家第一时间能想到的方案，那我们就上代码跑跑看速度。
public static bool ForCompare(byte[]? x, byte[]? y){ if (ReferenceEquals(x, y)) return true;// 引用相等，可以直接认为相等 if (x is null || y is null) return false;// 两者引用不相等情况下,一方为null那就不相等 if (x.Length != y.Length) return false;// 两者长度不等，那么肯定也不相等 for (var index = 0; index < x.Length; index++) { if (x[index] != y[index]) return false; } return true;}最终的结果如下所示，我们可以看到其实使用for循环进行比较是很快的，4MB大小的数组2ms左右就能比较完毕。
其实还有一个优化点，.NET的JIT对一些方法默认是不做inline内联优化的，这样每次还有一个方法调用的开销，我们让jit去积极的进行内联，再来试试。方法也很简单，只需要引入System.Runtime.CompilerServices命名空间，然后在方法上面打上头标记即可。
要搞清楚为什么方法内联有用，首先要知道当一个方法被调用的时候发生了什么
1、首先会有个执行栈，存储目前所有活跃的方法，以及它们的本地变量和参数2、当一个新的方法被调用了，一个新的栈帧会被加到栈顶，分配的本地变量和参数会存储在这个栈帧3、跳到目标方法代码执行4、方法返回的时候，本地方法和参数会被销毁，栈顶被移除5、返回原来地址执行
这就是通常说的方法调用的压栈和出栈过程，因此，方法调用需要有一定的时间开销和空间开销，当一个方法体不大，但又频繁被调用时，这个时间和空间开销会相对变得很大，变得非常不划算，同时降低了程序的性能。所以内联简单的说就是把目标方法里面代码复制到调用方法的地方，无需压栈、跳转和出栈。
不过并不是所有的方法内联都有益处，需要方法体比较小，如果方法体很大的话在每一个调用的地方都会发生替换，浪费内存。
using System.Runtime.CompilerServices;.....[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining | MethodImplOptions.AggressiveOptimization)]public static bool ForCompare(byte[]? x, byte[]? y)
再来跑一下试试。
最后可以看到性能提升了30%呀，分配的字节数少了50% (虽然本来就只有2字节)，讲道理就可以直接交差了。
Memcmp
但是群里面还有小伙伴就不满足了，有没有其它的方案？有个小伙伴就跳出来说，操作系统是不是提供了类似的功能？会不会使用C/C++代码运行起来会更加快速？
没错，操作系统确实提供了这样的函数，微软提供了一个名为mscrt(微软C运行时库)的库，里面就提到了memcmp这个函数就可以来比较两个buffer是否相等。MSDN链接.
函数签名是这样的，这个函数位于mscrt.dll内。
int memcmp( const void *buffer1, // 数组1指针 const void *buffer2, // 数组2指针 size_t count// 比较字节数);
既然有现成的C语言代码，那么C#应该如何调用它呢？实际上C#经常被大家成为C++++是有一定道理的，它在设计之初就考虑了和C、C++等代码的交互。这里使用到了C#的Native Interop - P/Invoke技术，可以很方便的使用C风格的ABI（C++、Rust等等都提供C语言ABI生成），在.NET底层大量的代码都是通过这种方式和底层交互，有兴趣的可以戳链接了解更详细的信息。
那么如何使用它呢？以我们上面的函数为例，我们只需要引入System.Runtime.InteropServices命名空间，然后按照上面memcmp函数的签名转换为C#代码就行了，最终的代码如下所示。
using System;using System.Runtime.InteropServices;namespace CompareByte;public static class BytesCompare{ [DllImport("msvcrt.dll")]// 需要使用的dll名称 private static extern unsafe int memcmp(byte* b1, byte* b2, int count); // 由于指针使用是内存不安全的操作，所以需要使用unsafe关键字 // 项目文件中也要加入<AllowUnsafeBlocks>true</AllowUnsafeBlocks>来允许unsafe代码 public static unsafe bool MemcmpCompare(byte[]? x,byte[]? y) { if (ReferenceEquals(x, y)) return true; if (x is null || y is null) return false; if (x.Length != y.Length) return false; // 在.NET程序的运行中，垃圾回收器可能会整理和压缩内存，这样会导致数组地址变动 // 所以，我们需要使用fixed关键字，将x和y数组'固定'在内存中，让GC不移动它 // 更多详情请看 https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/csharp/language-reference/keywords/fixed-statement fixed (byte* xPtr = x, yPtr = y) { return memcmp(xPtr, yPtr, x.Length) == 0; } }}那我们来跑个分吧，看看结果怎么样。
结果真的是Amazing呀，比我们使用的for循环方案足足快了80+%，从原来需要1.7ms左右到现在只需要300us。
64字长优化
那是不是证明C#就是没有C跑的那么快呢？C#那还有没有优化的空间呢？当然是有方法的，实际上memcmp使用的算法和我们现在用的不一样。
我们知道衡量算法的时间复杂度是使用大O来表示，而这个其实是代码执行时间随数据规模增长的变化趋势的一个体现。比如我输入的数据量大小为n，完成这个函数我近似需要执行n次，那么时间复杂度就是O(n)。
再来回到我们的问题中，在最坏的情况下(x和y引用不相等且的长度相等)，我 if (x is null || y is null) return false; if (x.Length != y.Length) return false; return x.SequenceEqual(y);}
结果也是相当不错的，比memcmp和SSE2的方式都要快一点，略逊于Avx2，但是它用起来很简单，那么它是如何做到这么快的呢？让我们看看它的源码,
链接貌似也没有什么技巧，那是不是JIT编译的时候有优化，给自动向量化了呢？我们将代码复制出来，然后单独跑了一下，再用WinDBG打开，我们可以看到确实JIT优化引入了一些自动向量化(SIMD)的操作。
总结
通过这几种方案的对比，最推荐的用法当然就是直接使用.NET库提供的SequenceEquals方法来完成比较，如果是在.NET Framework中，由于没有这样的优化，所以大家也可以尝试上文中提到的SSE2等方法。
那么大家还有什么其它好的方式呢？欢迎在评论区留言！
笔者水平有限，如有错漏请批评指正 ：）
本文源码链接
参考文献
BenchmarkDotNet项目地址
BenchmarkDotNet帮助文档
MSCRT库参考
C# Interop
JVM的方法内联
.NET SIMD API
SSE2 Intrinsics各函数介绍
Checking equality for two byte arrays
