Векторы в си шарп

Вашему вниманию предлагается небольшой обзор возможностей векторизации алгоритмов в .NET Framework и .NETCORE. Цель статьи познакомить с этими приёмами тех, кто их вообще не знал и показать, что .NET не сильно отстаёт от «настоящих, компилируемых» языков для нативной
разработки.

Я только начинаю изучать приёмы векторизации, так что если кто из сообщества укажет мне на явные косяк, или предложит улучшенные версии описанных ниже алгоритмов, то буду дико рад.

Видео:vector | Библиотека стандартных шаблонов (stl) | Уроки | C++ | #1Скачать

Немного истории

В .NET SIMD впервые появился в 2015 году с выходом .NET Framework 4.6. Тогда были добавлены типы Matrix3x2, Matrix4x4, Plane, Quaternion, Vector2, Vector3 и Vector4, которые позволили прозводить векторизированные вычисления. Позже был добавлен тип Vector , который предоставил больше возможностей для векторизации алгоритмов. Но многие программисты всё равно были недовольны, т.к. вышеописанные типы ограничивали поток мыслей программиста и не давали возможности использовать полную мощь SIMD-инструкций современных процессоров. Уже в наше время, в .NET Core 3.0 Preview появилось пространство имён System.Runtime.Intrinsics, которое предоставляет гораздо большую свободу в выборе инструкций. Чтобы получить наилучшие результаты в скорости надо использовать RyuJit и нужно либо собирать под x64, либо отключить Prefer 32-bit и собирать под AnyCPU. Все бенчмарки я запускал на компьютере с процессором Intel Core i7-6700 CPU 3.40GHz (Skylake).

Видео:Программирование на С++. Урок 70. ВекторСкачать

Суммируем элементы массива

Я решил начать с классической задачи, которую часто пишут первой, когда речь заходит про векторизацию. Это задача нахождения суммы элементов массива. Напишем четыре реализации этой задачи, будем суммировать элементы массива Array:

С использованием LINQ

С использованием векторов из System.Numerics:

С использованием кода из пространства System.Runtime.Intrinsics:

Я запустил бенчмарк на эти 4 метода у себя на компьютере и получил такой результат:

Видно, что решения с Vectors и Intrinsics очень сильно выигрывают в скорости по сравнению с очевидным решением и с LINQ. Теперь надо разобраться что происходит в этих двух методах.

Рассмотрим подробнее метод Vectors:

Если взглянуть в код метода Intrinsics:

То можно увидеть, что он очень похож на Vectors за некоторым исключением:

• vectorSize задан константой. Так происходит потому что в этом методе явно используются Avx2 инструкции, которые оперируют с 256 битными регистрами. В реальном приложении должна быть проверка на то поддерживает ли текущий процессор Avx2 инструкции и если не поддерживает, вызывать другой код. Выглядит это примерно так:
• var accVector = Vector256 .Zero; accVector объявлен как 256 битный вектор, заполненный нулями.
• fixed (int* ptr = Array) — в ptr заносится указатель на array.
• Дальше такие же операции как и в Vectors: загрузка данных в вектор и сложение двух векторов.
• Для суммирования элементов вектора был применён такой способ:
  • создаётся массив на стэке: var temp = stackalloc int[vectorSize];
  • загружается вектор в этот массив: Avx2.Store(temp, accVector);
  • в цикле суммируются элементы массива.
• потом досуммируются элементы массива, которые не помещаются в последний вектор

Видео:#7. Реализация динамического массива на С++ с помощью std::vector | Структуры данныхСкачать

Сравниваем два массива

Надо сравнить два массива байт. Собственно это та задача, из-за которой я начал изучать SIMD в .NET. Напишем опять несколько методов для бенчмарка, будем сравнивать два массива: ArrayA и ArrayB:

Самое очевидное решение:

Решение через LINQ:

Решение через функцию MemCmp:

С использованием векторов из System.Numerics:

С использованием Intrinsics:

Результат бэнчмарка на моём компьютере:

Весь код этих методов, думаю, понятен, за исключением двух строк в Intrinsics:

В первой два вектора сравниваются на равенство и результат сохраняется в вектор areEqual, у которого в элемент на конкретной позиции все биты выставляются в 1, если соответствующие элементы в va и vb равны. Получается, что если векторы из байт va и vb полностью равны, то в areEquals все элементы должны равняться 255 (11111111b). Т.к. Avx2.CompareEqual является обёрткой над _mm256_cmpeq_epi8, то на сайте Intel можно посмотреть псевдокод этой операции:
Метод MoveMask из вектора делает 32-х битное число. Значениями битов являются старшие биты каждого из 32 однобайтовых элементов вектора. Псевдокод можно посмотреть здесь.

Таким образом, если какие-то байты в va и vb не совпадают, то в areEqual соответствующие байты будут равны 0, следовательно старшие биты этих байт тоже будут равны 0, а значит и соответствующие биты в ответе Avx2.MoveMask тоже будут равны 0 и сравнение с equalsMask не пройдёт.

Разберём небольшой пример, приняв что длина вектора 8 байт (чтобы писать было меньше):

• Пускай va = , а vb = ;
• Тогда areEqual будет равен ;
• Метод MoveMask вернёт 10011100b, который нужно будет сравнивать с маской 11111111b, т.к. эти маски неравны, то выходит, что и векторы va и vb неравны.

Видео:array и vector в языке программирования с++Скачать

Подсчитываем сколько раз элемент встречается в коллекции

Иногда требуется посчитать сколько раз конкретный элемент встречается в коллекции, например, интов, этот алгоритм тоже можно ускорить. Напишем несколько методов для сравнения, будем искать в массиве Array элемент Item.

с использованием LINQ:

с использованием векторов из System.Numerics.Vectors:

С использованием Intrinsics:

Результат бенчмарка на моём компьютере:

Методы Vectors и Intrinsics полностью совпадают в логике, отличия только в реализации конкретных операций. Идея в целом такая:

• создаётся вектор mask, в котором в каждом элементе храниться искомое число;
• Загружается в вектор v часть массива и сравнивается с маской, тогда в равных элементах в areEqual будут выставлены все биты, т.к. areEqual — вектор из интов, то, если выставить все биты одного элемента, получим -1 в этом элементе ((int)(1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111_1111b) == -1);
• вычитается из accVector вектор areEqual и тогда в accVector будет сумма того, сколько раз элемент item встретился во всех векторах v для каждой позиции (минус на минут дают плюс).

Весь код из статьи можно найти на GitHub

Видео:векторы С++Скачать

Заключение

Я рассмотрел лишь очень малую часть возможностей, которые предоставляет .NET для векторизации вычислений. За полным и актуальным список доступных интринсиков в .NETCORE под x86 можно обратиться к исходному коду. Удобно, что там в C# файлах в summary каждого интринсика есть его же название из мира C, что упрощает и понимание назначения этого интринсика, и перевод уже существующих С++/С алгоритмов на .NET. Документация по System.Numerics.Vector доступна на msdn.

На мой вгляд, у .NET есть большое преимущество перед C++, т.к. JIT компиляция происходит уже на клиентской машине, то компилятор может оптимизировать код под конкретный клиентский процессор, предоставляя максимальную производительность. При этом программист для написания быстрого кода может оставаться в рамках одного языка и технологий.

В бенчмарках я использовал IterationSetup, которые, как выяснилось, может сильно влиять на показатели бенчмарков, которые отрабатывают меньше чем за 100мс. Если переделать на GlobalSetup, то результаты будут вот такие.

Видео:Базовый курс С++ Часть #81. Вектор std::vectorСкачать

BestProg

Видео:[C++] STL: VectorСкачать

Класс vector . Динамический массив. Общие сведения. Обзор методов. Создание динамического массива. Способы доступа к элементам вектора

Данная тема является началом изучения средств класса vector , который представляет собой динамический массив.

Содержание

Поиск на других ресурсах:

1. Общие сведения о классе vector . Обзор методов класса

Класс vector представляет собой динамический массив, размер которого в программе может изменяться при необходимости. Этот класс является одним из самых универсальных и распространенных в использовании при написании программ на C++. Доступ к элементам класса осуществляется как к обычному массиву с помощью квадратных скобок [ ] .

Чтобы использовать методы и константы массива типа vector нужно подключить заголовок и пространство имен std

Шаблонная спецификация класса vector имеет следующий вид:

• T – тип элементов массива. Это может быть любой базовый тип ( int , float , char и т.д.) или тип, разработанный пользователем;
• Allocator — название класса, обеспечивающего распределение памяти.

Методы класса vector можно условно разбить на 3 группы:

• 1. Методы, определяющие и изменяющие общие характеристики массива.
  • 1.1. Метод size() . Определить размер вектора
  • 1.2. Метод max_size() . Максимально допустимый размер массива
  • 1.3. Метод capacity() . Определить размер массива с учетом зарезервированной памяти
  • 1.4. Метод empty() . Определить, пустой ли вектор
  • 1.5. Метод shrink_to_fit() . Выровнять размер массива с учетом зарезервированной памяти по фактическому размеру массива
  • 1.6. Метод reserve() . Зарезервировать память для дополнительных элементов массива
  • 1.7. Метод resize() . Изменить размер массива
• 2. Методы, модифицирующие (изменяющие) данные в массиве
  • 2.1. Метод push_back() . Добавить элемент в конец вектора
  • 2.2. Метод pop_back() . Удалить последний элемент вектора
  • 2.3. Метод clear() . Удаляет из массива все элементы
  • 2.4. Метод swap() . Обмен местами двух векторов
  • 2.5. Присваивание массивов. Перегруженный оператор =
  • 2.6. Метод erase() . Удалить один или несколько элементов заданного диапазона
  • 2.7. Метод insert() . Вставляет элемент или группу элементов в вектор
    • 2.7.1. Вставка списка инициализации в вектор
    • 2.7.2. Вставка элемента заданное количество раз в заданную позицию
    • 2.7.3. Вставка одиночного элемента в заданную позицию
    • 2.7.4. Вставка нескольких элементов из заданного диапазона
  • 2.8. Метод assign() . Создать массив из существующих данных
• 3. Методы, обеспечивающие доступ к элементам массива
  • 3.1 Метод at() . Получить элемент вектора по его позиции (индексу)
  • 3.2. Метод front() . Возвращает ссылку на первый элемент вектора
  • 3.3. Метод back() . Возвращает ссылку на последний элемент вектора
  • 3.4. Метод data() . Получить указатель на вектор
  • 3.5. Метод begin() . Вернуть итератор, указывающий на первый элемент вектора
  • 3.6. Метод end() . Вернуть итератор, указывающий на последний элемент массива
  • 3.7. Методы cbegin() , cend() . Получить константный итератор на начало и конец массива
  • 3.8. Методы rbegin() , rend() . Доступ к элементам массива с помощью реверсного итератора
  • 3.9. Методы crbegin() , crend​​() . Установить на начало и конец массива константный реверсный итератор

2. Создание динамического массива типа vector . Конструкторы. Пример

Для создания массива в классе vector объявляется ряд конструкторов. Ниже приведены наиболее распространенные из них.

Чтобы создать пустой массив используется конструктор:

Чтобы создать массив, который содержит num элементов со значением val , используется конструктор

Чтобы создать массив на основе другого массива ob , нужно использовать конструктор

Чтобы создать массив на основе диапазона на который указывают итераторы start и end , используется следующий конструктор

Пример. В примере создаются различные массивы типа vector .

3. Способы доступа к элементам вектора. Индексирование [ ]

После создания вектора, можно получать доступ к его элементам одним из следующих способов:

• с помощью операции индексирования [ ] , как в случае с обычным массивом;
• с помощью итератора;
• с помощью метода at() .

Видео:Векторы и Манипуляции с ними, Vector3 - Unity урокиСкачать

Как создать вектор в С#

У меня есть набор серверов, для которых мне нужны имена, но мне нужны только те, которые в настоящее время доступны, поэтому мне нужен массив с динамическим размером. Какую структуру данных я могу использовать для их хранения.

Вероятно, вы хотите использовать общий List класс, как в List .

Скажем, у вас есть имена ваших серверов в строке значений, разделенных запятыми. Затем вы можете использовать метод расширения Split и ToList() (в IEnumerable), чтобы преобразовать его в список с динамическим размером.

Или, если вы проверяете их по одному с помощью другого метода.

🎥 Видео

ЯЗЫК C++ #19 — ВЕКТОРСкачать

Готовимся к ЕГЭ по физике на 80+ | Саня ЭбонитСкачать

Собеседование C# Junior developer, что спрашивают в 2021 году?! Техподдержка идет программировать.Скачать

C# 2023 С НУЛЯ ДО ПРОФИ | СЛИВ ЛУЧШЕГО КУРСАСкачать

Программирование на С++. Урок 71. Пример работы с вектором. Двумерный вектор.Скачать

С++. Урок 14. Вектор из STLСкачать

04.1 Массивы и векторы в C++ на примерах задачСкачать

C++ 22. Внутреннее устройство vectorСкачать

26. Умные указатели: unique_ptr, shared_ptrСкачать