配列のアクセス方法による速さの違い

はじめに

C#でマネージドオブジェクトとして配列にアクセスするときと、アンマネージドオブジェクトとして配列にポインタでアクセスするときの速さを比べました。
ここでは書き込みしか計測していないので、読み込みの場合は違った結果になるかもしれません。

結論

算術複合代入演算子でポインタを更新してアクセスする方法が最速でした。
また、インデクサー演算子を使った普通の配列へのアクセスが、ポインター要素アクセス演算子を使ったポインタによる配列へのアクセスよりも速くなることがあります。

環境

Windows 10 Home, AMD Ryzen 5 3500 6-Core Processor(3.59 GHz), 16GB Memory, Visual Studio 2022, .NET 6.0

計測コード

private static readonly int Count = 1000; // 関数の実行を繰り返す回数
private static readonly int Size = 100000; // 配列の大きさ

private static int[] VSA { get; } = new int[Size]; // マネージド配列
private static IntPtr VSPH = Marshal.AllocHGlobal(sizeof(int) * Size); // アンマネージド配列
private static int* VSP { get; } = (int*)VSPH.ToPointer(); // アンマネージド配列のポインタ

// 普通に配列にアクセスする方法
private static void Array()
{
    int[] a = VSA;
    for (int i = 0; i < Size; i++)
    {
        a[i] = i;
    }
}

// ポインター要素アクセス演算子でアクセスする方法
private static void Pointer1()
{
    int* p = VSP;
    for (int i = 0; i < Size; i++)
    {
        p[i] = i;
    }
}

// ポインタで、算術演算子で目的のアドレスに移動する方法
private static void Pointer2()
{
    int* p = VSP;
    for (int i = 0; i < Size; i++)
    {
        *(p + i) = i;
    }
}

// ポインタをインクリメント演算子で更新する方法
private static void Pointer3()
{
    int* p = VSP;
    for (int i = 0; i < Size; i++)
    {
        *p = i;
        p++;
    }
}

// ポインタを算術複合代入演算子で更新する方法
private static void Pointer4()
{
    int* p = VSP;
    for (int i = 0; i < Size; i++)
    {
        *p = i;
        p += 1;
    }
}

// エントリポイント
public static void Entry()
{
    Console.WriteLine($"Array:   \t{Program.Measure(Count, Array)}");
    Console.WriteLine($"Pointer1:\t{Program.Measure(Count, Pointer1)}");
    Console.WriteLine($"Pointer2:\t{Program.Measure(Count, Pointer2)}");
    Console.WriteLine($"Pointer3:\t{Program.Measure(Count, Pointer3)}");
    Console.WriteLine($"Pointer4:\t{Program.Measure(Count, Pointer4)}");

    Marshal.FreeHGlobal(VSPH);
}

// 関数の処理にかかる時間を計測する
public static TimeSpan Measure(int count, Action action)
{
    DateTime time = DateTime.Now;
    for (int i = 0; i < count; i++)
    {
        action();
    }
    return DateTime.Now - time;
}

結果

CountとSizeを以下のように変えて計測しました。単位はミリ秒です。

Count = 10, Size = 10000000

方法	１回目	２回目	３回目	平均
Array	313.9766	327.8773	307.7491	316.5343
Pointer1	366.2786	432.1988	385.5325	394.6699
Pointer2	317.5178	321.1072	334.8939	324.5063
Pointer3	282.9098	269.9905	258.7676	270.5559
Pointer4	243.4862	245.5820	243.0119	244.0267

Count = 1000, Size = 100000

方法	１回目	２回目	３回目	平均
Array	327.2435	292.3494	276.8912	298.8280
Pointer1	321.7174	427.6671	351.0425	366.8090
Pointer2	330.6075	327.0324	329.7217	329.1205
Pointer3	248.2612	266.3699	265.2462	259.9591
Pointer4	240.4266	242.9126	242.5092	241.9494

Count = 100000, Size = 1000

方法	１回目	２回目	３回目	平均
Array	314.5075	279.0266	275.8633	289.7991
Pointer1	371.4749	414.7517	335.8634	374.0300
Pointer2	334.1162	308.4300	320.1084	320.8848
Pointer3	267.7154	313.6996	289.6043	290.3397
Pointer4	243.0017	245.0434	249.3512	245.7987

Count = 10000000, Size = 10

方法	１回目	２回目	３回目	平均
Array	355.4642	279.7824	279.7824	305.0096
Pointer1	356.0908	385.8575	385.8575	375.9352
Pointer2	348.3576	319.1117	319.1117	328.8603
Pointer3	247.0751	265.7220	265.7220	259.5063
Pointer4	245.3749	245.7401	245.7401	245.6183

Pointer4は安定して圧倒的に速いです。

おわりに

私としてはこの結果は意外です。
Pointer3, 4はループ毎にポインタを更新しており、アドレスに整数値を加算するという処理に加えてポインタを書き換えるという処理を行うと思うのでPointer1, 2よりも遅いと思っていました。
Pointer1, 3はそれぞれPointer2, 4のシンタックスシュガーで、内部的には同じ処理だと思ってたので速さが違うとは思いませんでした。
ポインタを使うよりも普通に配列を使った方が速いことがあるのも驚きです。

何事もやってみないとわかりませんね。