在C#中，BitArray获取比特值的速度是否比使用逐位移位的简单组合更快

@Jonathon Reinhart，

不幸的是，您的基准测试没有结论。它没有考虑可能的延迟加载、缓存和/或预取(由CPU、主机操作系统和/或.NET运行时(的影响。

打乱测试的顺序(或多次调用测试方法(，您可能会注意到不同的时间测量。

我用"Any CPU"平台目标和.NET 4.0客户端配置文件构建了您的原始基准测试，在我的机器上运行，该机器使用i7-3770 CPU和64位Windows 7。

我得到的是：

Testing with 10000000 operations:
   A UInt32 bitfield took 484 ms.
   A BitArray (32) took 459 ms.
   A List<bool>(32) took 393 ms.

这与你的观察非常一致。

然而，在UInt32测试之前执行BitArray测试产生了以下结果：

Testing with 10000000 operations:
   A BitArray (32) took 513 ms.
   A UInt32 bitfield took 456 ms.
   A List<bool>(32) took 417 ms.

通过查看UInt32和BitArray测试的时间，您会注意到测量的时间似乎与测试本身无关，而是与测试的运行顺序有关。

为了至少稍微减轻这些副作用，我在每个程序运行中执行了两次测试方法，结果如下。

测试顺序UInt32，BitArray，BoolArray，UInt32、BitArray、BoolArray:

Testing with 10000000 operations:
   A UInt32 bitfield took 476 ms.
   A BitArray (32) took 448 ms.
   A List<bool>(32) took 367 ms.
   A UInt32 bitfield took 419 ms.  <<-- Watch this.
   A BitArray (32) took 444 ms.    <<-- Watch this.
   A List<bool>(32) took 388 ms.

测试顺序BitArray、UInt32、BoolArray、BitArray、UInt32、BoolArray:

Testing with 10000000 operations:
   A BitArray (32) took 514 ms.
   A UInt32 bitfield took 413 ms.
   A List<bool>(32) took 379 ms.
   A BitArray (32) took 444 ms.    <<-- Watch this.
   A UInt32 bitfield took 413 ms.  <<-- Watch this.
   A List<bool>(32) took 381 ms.

从测试方法的第二次调用来看，至少在具有最新.NET运行时的i7 CPU上，UInt32测试比BitArray测试快，而BoolArray测试仍然是最快的。

(我很抱歉，我不得不写下我对Jonathon基准测试的回应作为答案，但作为一个新的SO用户，我不允许发表评论…(

编辑：

与其打乱测试方法的顺序，你可以试着在调用第一个测试之前放一个Thread.Sleep(5000(或类似的。。。

此外，最初的测试似乎使UInt32测试处于不利地位，因为它包括一个边界检查">if(bitnum<0||bitnum>31("，执行次数为3000万次。其他两个测试都不包括这样的边界检查。然而，这实际上并不是全部事实，因为BitArray和bool数组都在内部进行边界检查。

虽然我没有测试，但我预计消除边界检查将使UInt32和BoolArray测试的性能相似，但对于公共API来说，这不是一个好提议。

BitArray将能够处理任意数量的布尔值，而byte只能容纳8个，int只能容纳32个，等等。这将是两者之间最大的区别。

此外，BitArray实现了IEnumerable，而积分类型显然没有。所以这一切都取决于你的项目的要求；如果您需要IEnumerable或类似阵列的接口，请使用BitArray。

实际上，我会在任何一种解决方案上使用bool[]，因为它在中更明确地说明了您要跟踪的类型的数据。T

BitArray或bitfield将使用大约bool[]的1/8空间，因为它们将8个布尔值"打包"到一个字节中，而bool本身将占用整个8位字节。使用位字段或BitArray的空间优势并不重要，除非存储批的bools。(数学由读者决定：-(

---

基准

结果：对于我的原始测试环境，BitArray似乎快了一个位，但与自己用积分类型进行测试的数量级相同。同样测试的还有bool[]，它是最快的。访问内存中的单个字节将比访问不同字节中的单个位复杂。

Testing with 10000000 operations:
   A UInt32 bitfield took 808 ms.
   A BitArray (32) took 574 ms.
   A List<bool>(32) took 436 ms.

代码：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Random r = new Random();
        r.Next(1000);
        const int N = 10000000;
        Console.WriteLine("Testing with {0} operations:", N);
        Console.WriteLine("   A UInt32 bitfield took {0} ms.", TestBitField(r, N));
        Console.WriteLine("   A BitArray (32) took {0} ms.", TestBitArray(r, N));
        Console.WriteLine("   A List<bool>(32) took {0} ms.", TestBoolArray(r, N));
        Console.Read();
    }

    static long TestBitField(Random r, int n)
    {
        UInt32 bitfield = 0;
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            SetBit(ref bitfield, r.Next(32), true);
            bool b = GetBit(bitfield, r.Next(32));
            SetBit(ref bitfield, r.Next(32), b);
        }
        sw.Stop();
        return sw.ElapsedMilliseconds;
    }
    static bool GetBit(UInt32 x, int bitnum) {
        if (bitnum < 0 || bitnum > 31)
            throw new ArgumentOutOfRangeException("Invalid bit number");
        return (x & (1 << bitnum)) != 0;
    }
    static void SetBit(ref UInt32 x, int bitnum, bool val)
    {
        if (bitnum < 0 || bitnum > 31)
            throw new ArgumentOutOfRangeException("Invalid bit number");
        if (val)
            x |= (UInt32)(1 << bitnum);
        else
            x &= ~(UInt32)(1 << bitnum);
    }

    static long TestBitArray(Random r, int n)
    {
        BitArray b = new BitArray(32, false);     // 40 bytes
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            b.Set(r.Next(32), true);
            bool v = b.Get(r.Next(32));
            b.Set(r.Next(32), v);
        }
        sw.Stop();
        return sw.ElapsedMilliseconds;
    }

    static long TestBoolArray(Random r, int n)
    {
        bool[] ba = new bool[32];
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            ba[r.Next(32)] = true;
            bool v = ba[r.Next(32)];
            ba[r.Next(32)] = v;
        }
        sw.Stop();
        return sw.ElapsedMilliseconds;
    }
}

对于以列表形式表示时适合缓存的数据，使用BitArray在性能上没有意义。

所展示的基准指出了显而易见的一点：由于缺乏计算需求，Bools列表的执行速度将比BitArray快。

然而，这些测试的最大问题是，它们是在32的数组上运行的。这意味着整个阵列都适合缓存。当您开始进行大量内存提取时，处理大型布尔值集合的成本将显现出来。

与5000项的列表相比，5000项的BitArray的性能将大不相同。列表将需要比BitArray多8倍的内存读取。

根据您的其他逻辑(您正在进行的分支和其他操作的数量(，差异可能很小，也可能很大。内存预取允许CPU将下一个预测的内存块拉入高速缓存，同时仍然处理第一个块。如果您正在对数据结构进行干净的直接迭代，您可能看不到显著的性能差异。另一方面，如果您正在进行一些分支或操作，使CPU很难预测内存获取，那么您更有可能看到性能差异。

此外，如果你开始谈论多重数据结构，事情会变得更加模糊。如果您的代码依赖于对100个不同BitArrays的引用，该怎么办？好吧，现在我们讨论的是更多的数据，即使BitArrays本身很小，你也会跳来跳去访问不同的BitArrays，所以访问模式会影响事情。

如果不在特定的算法/场景中进行基准测试，就不可能知道真实的行为。

如果有人仍在寻找足够快的不同解决方案：我建议在GetBit和SetBit方法上使用激进的内联[MethodImpl(256(]。还具有位位置的OR和XOR值的查找表。从System.IndexOutOfRangeException中删除位位置检查应足以指示位位置中的错误，并且我们不需要为额外的检查消耗CPU。此外，如果在大量元素上执行此操作并进行调试，强烈建议使用[DeggerHidden]属性。DebuggerHidden属性可帮助调试器跳过标记有该属性的方法的调试，并加快调试过程。

使用Jonathon-Reinhart答案中的代码，并为TestBitFieldOpt和TestBitFieldOpt2添加此方法和测试。

    static readonly uint[] BITMASK = new uint[]
    {
        0x00000001, 0x00000002, 0x00000004, 0x00000008, 0x00000010, 0x00000020, 0x00000040, 0x00000080,
        0x00000100, 0x00000200, 0x00000400, 0x00000800, 0x00001000, 0x00002000, 0x00004000, 0x00008000,
        0x00010000, 0x00020000, 0x00040000, 0x00080000, 0x00100000, 0x00200000, 0x00400000, 0x00800000,
        0x01000000, 0x02000000, 0x04000000, 0x08000000, 0x10000000, 0x20000000, 0x40000000, 0x80000000
    };
    static readonly uint[] BITMASK_XOR = new uint[]
    {
        0xFFFFFFFE, 0xFFFFFFFD, 0xFFFFFFFB, 0xFFFFFFF7, 0xFFFFFFEF, 0xFFFFFFDF, 0xFFFFFFBF, 0xFFFFFF7F,
        0xFFFFFEFF, 0xFFFFFDFF, 0xFFFFFBFF, 0xFFFFF7FF, 0xFFFFEFFF, 0xFFFFDFFF, 0xFFFFBFFF, 0xFFFF7FFF,
        0xFFFEFFFF, 0xFFFDFFFF, 0xFFFBFFFF, 0xFFF7FFFF, 0xFFEFFFFF, 0xFFDFFFFF, 0xFFBFFFFF, 0xFF7FFFFF,
        0xFEFFFFFF, 0xFDFFFFFF, 0xFBFFFFFF, 0xF7FFFFFF, 0xEFFFFFFF, 0xDFFFFFFF, 0xBFFFFFFF, 0x7FFFFFFF
    };
    static long TestBitFieldOpt(Random r, int n)
    {
        bool value;
        UInt32 bitfield = 0;
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < n; i++)
        {
            SetBitOpt(ref bitfield, r.Next(32), true);
            value = GetBitOpt(bitfield, r.Next(32));
            SetBitOpt(ref bitfield, r.Next(32), value);
        }
        sw.Stop();
        return sw.ElapsedMilliseconds;
    }
    static long TestBitFieldOpt2(Random r, int n)
    {
        bool value;
        UInt32 bitfield = 0;
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < n; i++)
        {
            bitfield = SetBitOpt2(bitfield, r.Next(32), true);
            value = GetBitOpt(bitfield, r.Next(32));
            bitfield = SetBitOpt2(bitfield, r.Next(32), value);
        }
        sw.Stop();
        return sw.ElapsedMilliseconds;
    }
    [MethodImpl(256)]
    static bool GetBitOpt(UInt32 bitfield, int bitindex)
    {
        return (bitfield & BITMASK[bitindex]) != 0;
    }
    [MethodImpl(256)]
    static void SetBitOpt(ref UInt32 bitfield, int bitindex, bool value)
    {
        if (value)
            bitfield |= BITMASK[bitindex];
        else
            bitfield &= BITMASK_XOR[bitindex];
    }
    [MethodImpl(256)]
    static UInt32 SetBitOpt2(UInt32 bitfield, int bitindex, bool value)
    {
        if (value)
            return (bitfield | BITMASK[bitindex]);
        return (bitfield & BITMASK_XOR[bitindex]);
    }

我将测试次数增加了10次方(以获得更真实的结果(，优化代码的结果非常接近最快的方法：

    Testing with 100000000 operations:
    A BitArray (32) took      : 4947 ms.
    A UInt32 bitfield took    : 4399 ms.
    A UInt32 bitfieldopt      : 3583 ms.
    A UInt32 bitfieldopt2     : 3583 ms.
    A List<bool>(32) took     : 3491 ms.

通常情况下，局部堆栈上较少的变量、较少的分支和预先计算的值在大多数情况下获胜。所以拿着书和铅笔，把数学题缩短，这样就少了。。。函数内部的真正内联有很大帮助，但在方法上更好地使用[MethodImpl(256(]属性可以提高源代码的可读性/保持源代码，如上所述。

希望这能帮助某人找到解决问题的方法。