C#多维数组不同读取方式的性能差异

背景

近来在优化一个图像显示程序，图像数据存储于一个3维数组data[x,y,z]中，三维数组为一张张图片数据的叠加而来，其中x为图片的张数，y为图片行，Z为图片的列，也就是说这个三维数组存储的为一系列图片的数据集，整个数据集构成了一个现实中的物体（其实就是一个人的某部位CT扫描结果）。

yoz为主视图，xoz为俯视图，xoy为左视图。

在进行数组读取时，发现如果X固定，YZ为变量获取一张图片时（Y从小到大，Z从小到大），整个获取像素的函数运行时间一般为3ms左右；若Y固定，XZ为变量获取俯视图的图处理时，整张图片的获取也差不多在3ms左右；但若Z固定，获取左视图时，则获取整张图片的时间至少为主视图或俯视图的2倍，最大可能为10倍甚至更多。

原因探索------为何Z固定时，获取整张图片的时间会增大？

多维数组的遍历

首先了解一下多维数组的遍历，遍历元素的方式为：首先递增最右边维度的索引，然后是它左边的一个维度，以此类推，向最左的索引遍历元素。

那么对于一个3*3*3的三维数组，X固定获取的获取，就完全是在一个连续的区域获取，如下所示，对于3*3*3的三维数组，X固定3个区域均为连续在一块儿。

Y固定也是类似，只是相对有些分散，但仍是几个连续的区域，如下所示，Y为0时的黄色区域，Y为1时的白色区域，Y为2时的棕色区域。

Z固定时，看上去也是连续的区域，读取时间应该不会相差太多，如下图所示：

数组在存储单元中存储

存储单元是一维的结构 ，那么多维数组就需要约定数组的存储次序，C#中数组是以行序为主序(不同语言实现不同)的存储结构，也就是如前面图中3维数组的显示一样以行优先进行存储数据，一行一行将数据存储存储到存储单元。

那么数组的读取，读取X为定值的所有值，就只要知道X固定的第一个值位置，然后顺序读取X为定值的整个区间就可以了；Y固定时与此类似，只是区间会变多；而Z固定就完全不一样了，以前述3*3*3的3维数组为例，Z为1时所有数据，都不是连续的，也就是说它相应的存储位置都需要重新去计算，那么它的读取时间肯定就是最长的了。

如何优化？

那么，才能提高3维数组的读取时间呢？了解了产生性能问题的原因，针对此可以用以下方法进行一定的性能提升。

1. 循环展开

关于循环展开的详细解释，可自行查找相应资料，本文不作赘述。

循环展开代码如下：

展开前：

cs 复制代码

  for (int i = 0; i < 4; ++i)

  {
      var pixelDataindex = y * rowStride + x * 4 + i;
      if (i != 3)
          PixelData[pixelDataindex] = (byte)HUtoGraysale(ctData16ct[x, y, (int)frameIndex], slope, intercept, imgHeight, imgWidth);
      else
          PixelData[pixelDataindex] = 255;
  }

展开后：

cs 复制代码

var pixelDataindex = y * rowStride + x * 4;
var gray = (byte)HU2Graysale(ctData16ct[x, y, index], slope, intercept, high, low, imgWidth);
UpdatePixelData(PixelData, pixelDataindex, gray);

展开后涉及的 UpdatePixelData如下：

cs 复制代码

private static void UpdatePixelData(byte[] PixelData, int pixelDataindex, byte gray)
{
    PixelData[pixelDataindex] = gray;
    PixelData[pixelDataindex + 1] = gray;
    PixelData[pixelDataindex + 2] = gray;
    PixelData[pixelDataindex + 3] = 255;
}

通过前后对比测试结果来看，循环展开后的速度比展开前提高了50%。

2. 多线程

在1中对最内层循环进行了循环展开，在最内层循环的外层循环可以将循环的区域拆分为多个，然后每个区域用一个线程来进行相应的计算，最后将整个计算结果返回即可。

此处注意，并不是拆越多用越多的线程越好，一般不要超过CPU的核心数。

3. 减少不必要的操作

如减少循环中的强制转换，装箱拆箱，以及一些可以转到外边的计算。

4. 优化数据结构

如果性能非常敏感，可以考虑针对你需要的那一维数据进行特殊存储。如本文开头提到的data[x,y,z]，可以将Z存储到x的位置，x存储到Z的位置，那么data[z,y,x]的读取速度就会有大的提升。

以上都是在硬件固定的情况下说的，当然，有更好的硬件环境肯定是能提高执行速度的。

参考链接

数组 - C# reference | Microsoft Learn

改几行代码，for循环耗时从3.2秒降到0.3秒！真正看懂的都是牛人！

参考书籍：

数据结构（C语言版）（第2版）------严蔚敏李冬梅吴伟民