(C#) メモリ確保ベンチマーク on .NET6 - ネコのために鐘は鳴る

この記事は .NET6 Advent Calendar 2021 の14日目の記事です。

.NET6 におけるバッファメモリ確保

以前 .NET Framework4.8 でメモリ確保の方法についてベンチマークを取り、記事にしたことがあります。 (参考 (C#) メモリ確保ベンチマーク 6種盛り)

.NET6 でいろいろとバージョンアップしているので、.NET6 でベンチマークを取ってみました。前回は6通りの方法を試しましたが、今回は新たに追加されたメソッドを含めて7通りを試します。

ベンチマークライブラリはいつも通り BenchmarkDotNet を使用します。

// (1)
[Benchmark(Baseline = true, Description = "new byte[]")]
public byte[] NewAlloc()
{
    return new byte[Size];
}

// (2)
[Benchmark(Description = "ArrayPool")]
public void SharedPool()
{
    var array = ArrayPool<byte>.Shared.Rent(Size);
    ArrayPool<byte>.Shared.Return(array);
}

// (3)
[Benchmark(Description = "Marshal.Alloc")]
public void MarshalAlloc()
{
    var array = Marshal.AllocHGlobal(Size);
    Marshal.FreeHGlobal(array);
}

// (4)
[Benchmark(Description = "Marshal.Alloc + GCPressure")]
public void MarshalAlloc_WithGCPressure()
{
    var array = Marshal.AllocHGlobal(Size);
    GC.AddMemoryPressure(Size);
    Marshal.FreeHGlobal(array);
    GC.RemoveMemoryPressure(Size);
}

// (5)
[Benchmark(Description = "NativeMemory.Alloc")]
public unsafe void NativeAlloc()
{
    var array = NativeMemory.Alloc((nuint)Size);
    NativeMemory.Free(array);
}

// (6)
[Benchmark(Description = "NativeMemory.Alloc + GCPressure")]
public unsafe void NativeAlloc_WithGCPressure()
{
    var array = NativeMemory.Alloc((nuint)Size);
    GC.AddMemoryPressure(Size);
    NativeMemory.Free(array);
    GC.RemoveMemoryPressure(Size);
}

// (7)
[Benchmark(Description = "GC.AllocateUninitializedArray")]
public byte[] UninitializedArray()
{
    return GC.AllocateUninitializedArray<byte>(Size);
}

メモリ確保の方法として、それぞれ

(1) new byte[N]
(2) ArrayPool<byte>.Shared.Rent(N)
(3) Marshal.AllocHGlobal(N)
(4) (3) + GC.AddMemoryPressure
(5) NativeMemory.Alloc(N)
(6) (5) + GC.AddMemoryPressure
(7) GC.AllocateUninitializedArray<byte>(N)

です。(1), (2), (7) はマネージドメモリ、(3), (4), (5), (6) はアンマネージドメモリです。

ベンチマーク結果

BenchmarkDotNet=v0.13.1, OS=Windows 10.0.19042.1415 (20H2/October2020Update)
Intel Core i7-10700 CPU 2.90GHz, 1 CPU, 16 logical and 8 physical cores
.NET SDK=6.0.100
  [Host]    : .NET 6.0.0 (6.0.21.52210), X64 RyuJIT
  RyuJitX64 : .NET 6.0.0 (6.0.21.52210), X64 RyuJIT

Job=RyuJitX64  Jit=RyuJit  Platform=X64

f:id:ikorin2:20211220031013p:plain

もっとも単純な (1) の new byte[N] は、サイズに対してほぼ比例です。

また、(2) の ArrayPool<byte>.Shared.Rent(N) はサイズによらず定数です。これは、ArrayPool<byte> の内部プールが定常状態で配列がプールから取り出される場合、N によらず常に同じフローです。 ArrayPool.Shared は .NET6 で内部実装に変更がありました。.NET5 以前ではスレッドごとに独立に、長さの異なる17個の配列がキープされていました。.NET5 以前の実装の解説についてはこちらを参照。これが .NET6 でキープされる配列の最大長が撤廃され、長さが2²⁰以上の配列を借りてもプールされます。また、T が unmanaged 型の場合、内部で新たに配列を作るときに new T[] ではなく GC.AllocateUninitializedArray<byte>(N) を使用するようになりました。

(3) と (5) はともにアンマネージドメモリを確保しています。 (5) について、以前の .NET Framework4.8 でのベンチマークでは自分でC++で std::malloc と std::free をする dll を用意して呼び出していましたが、.NET6 から同様のメソッドが標準ライブラリ入りしたためそちらを使用しています。また、.NET6 で NativeMemory.Alloc(N) が実装されたことによって (3) の Marshal.AllocHGlobal(N) も内部で同じものを呼ぶように変更されました。したがって、(3) と (5) は全く同一でグラフも完全に一致しています。

(4) と (6) は (3) と (5) に GC Pressure の操作を追加したもので、その操作にかかる時間だけ時間が多くかかっています。

(7) は .NET6 から新たに追加されたメソッドです。new byte[N] と同じくマネージドメモリを確保しますが、配列の要素はゼロ初期化されていません。その分だけ (1) よりも速くなっています。ここで注目すべきは、2048 以下の時には (1) とほぼ一致していることです。これは、GC.AllocateUninitializedArray<T>(N) はサイズが2048バイト未満の場合は内部で new T[N] を呼び出しており、実装上の都合でその方が速いためとのことです。このメソッドの T は unmanaged 型、つまりプリミティブ型と、再帰的に全てのフィールドがプリミティブ型で構成される構造体でのみ使用可能です。

補足など

GC Pressure について

GC.AddMemoryPressure については私自身、使いどころがうまく理解できていません。確かにアンマネージドメモリを確保するとメモリ使用量は増えたにもかかわらずランタイムには認知されません。この時、メモリが逼迫するとランタイムはメモリを空けようと GC を走らせますが、実際にはメモリは空かず、逼迫した状態が続くので何度も意味のない GC を連発するようなことが起こるのかもしれません。しかし、もともとネイティブな外部 dll を呼び出して相互運用するようなアプリケーションの場合、ネイティブ側でどれだけメモリが確保されているかなど C# 側からは知る由もなく、GC.AddMemoryPressure を使うことはできません。これは私の勝手な判断ですが、合計でギガバイト以上の大きなメモリを確保する場合などのメモリが逼迫しうる量を確保しない限り、GC.AddMemoryPressure を使う必要はないと思っています。(もし GC.AddMemoryPressure を使うべき明確な理由や場面を知っている方がいれば教えてください)

アンマネージドメモリの使用について

アンマネージドメモリはその名の通りランタイムに管理されていません。利点として GC の対象にならないため停止時間に影響を与えません。一方欠点として解放を忘れるとメモリリークします。C++ や Rust のようにメモリリークを言語レベルで防ぐためのサポートもなく、生のポインタです。一応 IDisposable に包むと using 構文で自動解放できますが、using を強制する言語サポートはないため危険度としては同じです。ファイナライザを持つクラスに包むと最後のセーフティーとしてメモリリークはしませんが、GC の停止時間中に解放を行うため停止時間を削減するという目的そのものが無意味になります。ライブラリの中で完結する一時バッファとして実装者が責任を持てる範囲以外では使用すべきでないと思います。

また、GC を持つ C# が Rust や C++ より優れている部分として、メモリの断片化が発生しずらいという利点があります。アンマネージドメモリを多用するとこの利点をつぶします。小規模なメモリを何度もアンマネージドメモリに確保し、さらにそれらが長期間生存するような場面には向きません。

バッファとしての使用は、特別な理由がない限り ArrayPool<byte>.Shared.Rent(N) を使用すべきでしょう。

[追記]

.NET Framework 4.8 のときの記事とは計測したマシンスペックが異なるため、以前の記事と単純な実行時間での比較はしないでください。あくまで各手法間の比率で見てください。

ベンチマーク結果の詳細

Method	Size	Mean	Error	StdDev	Median	Ratio	RatioSD
'new byte'	16	2.420 ns	0.0573 ns	0.0536 ns	2.418 ns	1.00
ArrayPool	16	14.197 ns	0.0241 ns	0.0214 ns	14.191 ns	5.87	0.14
Marshal.Alloc	16	49.691 ns	0.0782 ns	0.0694 ns	49.684 ns	20.55	0.46
'Marshal.Alloc + GCPressure'	16	87.830 ns	0.1201 ns	0.1124 ns	87.784 ns	36.30
NativeMemory.Alloc	16	49.087 ns	0.0693 ns	0.0579 ns	49.084 ns	20.34	0.47
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	16	86.639 ns	0.1773 ns	0.1572 ns	86.568 ns	35.84
GC.AllocateUninitializedArray	16	1.896 ns	0.0481 ns	0.0450 ns	1.882 ns	0.78	0.03

'new byte'	32	2.486 ns	0.0307 ns	0.0287 ns	2.487 ns	1.00
ArrayPool	32	15.458 ns	0.0095 ns	0.0074 ns	15.456 ns	6.21	0.07
Marshal.Alloc	32	49.709 ns	0.1392 ns	0.1302 ns	49.690 ns	19.99	0.24
'Marshal.Alloc + GCPressure'	32	87.716 ns	0.0756 ns	0.0632 ns	87.705 ns	35.28
NativeMemory.Alloc	32	47.426 ns	0.0657 ns	0.0582 ns	47.415 ns	19.08	0.23
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	32	85.087 ns	0.2800 ns	0.2619 ns	84.965 ns	34.22
GC.AllocateUninitializedArray	32	2.411 ns	0.0358 ns	0.0334 ns	2.405 ns	0.97	0.02

'new byte'	64	3.417 ns	0.0667 ns	0.0624 ns	3.436 ns	1.00
ArrayPool	64	14.707 ns	0.0244 ns	0.0217 ns	14.699 ns	4.30	0.08
Marshal.Alloc	64	53.475 ns	0.0520 ns	0.0434 ns	53.472 ns	15.63	0.29
'Marshal.Alloc + GCPressure'	64	89.940 ns	0.0665 ns	0.0589 ns	89.923 ns	26.28
NativeMemory.Alloc	64	46.917 ns	0.1785 ns	0.1670 ns	46.901 ns	13.73	0.23
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	64	85.983 ns	0.0746 ns	0.0582 ns	85.990 ns	25.15
GC.AllocateUninitializedArray	64	3.381 ns	0.0779 ns	0.0728 ns	3.389 ns	0.99	0.03

'new byte'	128	5.155 ns	0.0990 ns	0.0926 ns	5.165 ns	1.00
ArrayPool	128	15.444 ns	0.0326 ns	0.0305 ns	15.426 ns	3.00	0.05
Marshal.Alloc	128	50.599 ns	0.0346 ns	0.0270 ns	50.603 ns	9.80	0.19
'Marshal.Alloc + GCPressure'	128	89.218 ns	0.0967 ns	0.0905 ns	89.204 ns	17.31
NativeMemory.Alloc	128	47.705 ns	0.1220 ns	0.1081 ns	47.667 ns	9.25	0.17
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	128	89.048 ns	0.0671 ns	0.0628 ns	89.063 ns	17.28
GC.AllocateUninitializedArray	128	5.120 ns	0.0627 ns	0.0489 ns	5.142 ns	0.99	0.02

'new byte'	256	8.876 ns	0.1177 ns	0.1101 ns	8.898 ns	1.00
ArrayPool	256	14.331 ns	0.2157 ns	0.1912 ns	14.230 ns	1.61	0.03
Marshal.Alloc	256	50.962 ns	0.3189 ns	0.2983 ns	50.958 ns	5.74	0.07
'Marshal.Alloc + GCPressure'	256	91.727 ns	0.7887 ns	0.7378 ns	91.540 ns	10.34
NativeMemory.Alloc	256	47.855 ns	0.1256 ns	0.1175 ns	47.818 ns	5.39	0.07
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	256	88.592 ns	0.0957 ns	0.0848 ns	88.622 ns	9.98
GC.AllocateUninitializedArray	256	8.880 ns	0.1124 ns	0.1051 ns	8.934 ns	1.00	0.02

'new byte'	512	16.057 ns	0.3431 ns	0.3210 ns	15.960 ns	1.00
ArrayPool	512	14.185 ns	0.0184 ns	0.0172 ns	14.177 ns	0.88	0.02
Marshal.Alloc	512	50.141 ns	0.0323 ns	0.0270 ns	50.139 ns	3.13	0.07
'Marshal.Alloc + GCPressure'	512	100.263 ns	0.0938 ns	0.0831 ns	100.267 ns	6.25
NativeMemory.Alloc	512	48.371 ns	0.0636 ns	0.0595 ns	48.379 ns	3.01	0.06
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	512	96.198 ns	0.0923 ns	0.0863 ns	96.201 ns	5.99
GC.AllocateUninitializedArray	512	16.169 ns	0.2531 ns	0.2367 ns	16.236 ns	1.01	0.02

'new byte'	1024	30.097 ns	0.4235 ns	0.3961 ns	30.006 ns	1.00
ArrayPool	1024	14.679 ns	0.0093 ns	0.0073 ns	14.679 ns	0.49	0.01
Marshal.Alloc	1024	50.266 ns	0.0349 ns	0.0309 ns	50.269 ns	1.67	0.02
'Marshal.Alloc + GCPressure'	1024	108.525 ns	0.0833 ns	0.0739 ns	108.522 ns	3.61
NativeMemory.Alloc	1024	47.416 ns	0.0289 ns	0.0270 ns	47.405 ns	1.58	0.02
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	1024	110.094 ns	0.0874 ns	0.0818 ns	110.103 ns	3.66
GC.AllocateUninitializedArray	1024	29.920 ns	0.6143 ns	0.5746 ns	29.897 ns	0.99	0.03

'new byte'	2048	57.893 ns	0.9656 ns	0.8560 ns	57.662 ns	1.00
ArrayPool	2048	14.776 ns	0.0128 ns	0.0113 ns	14.773 ns	0.26	0.00
Marshal.Alloc	2048	51.905 ns	0.0445 ns	0.0395 ns	51.899 ns	0.90	0.01
'Marshal.Alloc + GCPressure'	2048	114.753 ns	0.1050 ns	0.0982 ns	114.727 ns	1.98
NativeMemory.Alloc	2048	48.999 ns	0.0228 ns	0.0202 ns	49.002 ns	0.85	0.01
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	2048	111.208 ns	0.1044 ns	0.0872 ns	111.214 ns	1.92
GC.AllocateUninitializedArray	2048	58.826 ns	0.1744 ns	0.1456 ns	58.761 ns	1.02	0.02

'new byte'	4096	118.348 ns	2.3840 ns	2.5508 ns	117.820 ns	1.00
ArrayPool	4096	14.677 ns	0.0147 ns	0.0138 ns	14.673 ns	0.12	0.00
Marshal.Alloc	4096	50.449 ns	0.0249 ns	0.0233 ns	50.445 ns	0.43	0.01
'Marshal.Alloc + GCPressure'	4096	120.027 ns	0.0595 ns	0.0465 ns	120.024 ns	1.02
NativeMemory.Alloc	4096	47.249 ns	0.0265 ns	0.0222 ns	47.247 ns	0.40	0.01
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	4096	115.660 ns	0.1309 ns	0.1160 ns	115.620 ns	0.98
GC.AllocateUninitializedArray	4096	68.978 ns	0.1841 ns	0.1537 ns	68.998 ns	0.59	0.01

'new byte'	8192	241.119 ns	4.5964 ns	4.2995 ns	242.919 ns	1.00
ArrayPool	8192	18.240 ns	0.0137 ns	0.0114 ns	18.235 ns	0.08	0.00
Marshal.Alloc	8192	50.385 ns	0.0422 ns	0.0374 ns	50.369 ns	0.21	0.00
'Marshal.Alloc + GCPressure'	8192	120.433 ns	0.1308 ns	0.1223 ns	120.399 ns	0.50
NativeMemory.Alloc	8192	47.494 ns	0.0318 ns	0.0266 ns	47.487 ns	0.20	0.00
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	8192	120.283 ns	0.0880 ns	0.0735 ns	120.262 ns	0.50
GC.AllocateUninitializedArray	8192	74.431 ns	0.1530 ns	0.1277 ns	74.431 ns	0.31	0.01

'new byte'	16384	424.195 ns	8.2143 ns	8.7893 ns	421.584 ns	1.00
ArrayPool	16384	17.953 ns	0.0227 ns	0.0201 ns	17.943 ns	0.04	0.00
Marshal.Alloc	16384	53.502 ns	0.2266 ns	0.2119 ns	53.448 ns	0.13	0.00
'Marshal.Alloc + GCPressure'	16384	120.846 ns	0.1743 ns	0.1456 ns	120.775 ns	0.28
NativeMemory.Alloc	16384	47.405 ns	0.0418 ns	0.0371 ns	47.391 ns	0.11	0.00
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	16384	117.896 ns	0.0476 ns	0.0371 ns	117.901 ns	0.28
GC.AllocateUninitializedArray	16384	94.471 ns	0.4015 ns	0.3353 ns	94.554 ns	0.22	0.00

'new byte'	32768	790.026 ns	15.5811 ns	15.3027 ns	796.038 ns	1.00
ArrayPool	32768	14.225 ns	0.0072 ns	0.0060 ns	14.222 ns	0.02	0.00
Marshal.Alloc	32768	137.537 ns	0.3049 ns	0.2703 ns	137.594 ns	0.17	0.00
'Marshal.Alloc + GCPressure'	32768	222.805 ns	0.1789 ns	0.1673 ns	222.784 ns	0.28
NativeMemory.Alloc	32768	139.468 ns	2.7590 ns	3.8677 ns	140.092 ns	0.17	0.01
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	32768	216.506 ns	1.1494 ns	1.0751 ns	215.987 ns	0.27
GC.AllocateUninitializedArray	32768	137.147 ns	0.2657 ns	0.2356 ns	137.163 ns	0.17	0.00

'new byte'	65536	1,523.391 ns	27.7315 ns	23.1571 ns	1,532.096 ns	1.00
ArrayPool	65536	18.432 ns	0.0124 ns	0.0104 ns	18.428 ns	0.01	0.00
Marshal.Alloc	65536	109.773 ns	2.2175 ns	3.9986 ns	111.761 ns	0.07	0.00
'Marshal.Alloc + GCPressure'	65536	189.097 ns	3.6164 ns	3.2059 ns	190.010 ns	0.12
NativeMemory.Alloc	65536	105.710 ns	1.4795 ns	2.7423 ns	106.750 ns	0.07	0.00
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	65536	185.469 ns	0.3173 ns	0.2812 ns	185.429 ns	0.12
GC.AllocateUninitializedArray	65536	237.496 ns	1.2092 ns	1.0719 ns	237.694 ns	0.16	0.00

'new byte'	131072	4,932.622 ns	18.8168 ns	15.7129 ns	4,933.810 ns	1.000
ArrayPool	131072	16.016 ns	0.0116 ns	0.0103 ns	16.010 ns	0.003	0.00
Marshal.Alloc	131072	119.555 ns	2.4092 ns	3.6059 ns	118.869 ns	0.025	0.00
'Marshal.Alloc + GCPressure'	131072	241.775 ns	4.8540 ns	12.0883 ns	246.642 ns	0.049
NativeMemory.Alloc	131072	112.695 ns	2.2500 ns	4.1142 ns	112.978 ns	0.023	0.00
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	131072	203.887 ns	3.4076 ns	3.1875 ns	204.198 ns	0.041
GC.AllocateUninitializedArray	131072	2,482.482 ns	8.6712 ns	7.6868 ns	2,482.735 ns	0.503	0.00

'new byte'	262144	9,745.615 ns	14.6181 ns	13.6738 ns	9,744.838 ns	1.000
ArrayPool	262144	14.571 ns	0.0162 ns	0.0151 ns	14.564 ns	0.001	0.00
Marshal.Alloc	262144	384.751 ns	26.3435 ns	76.8453 ns	409.966 ns	0.027	0.01
'Marshal.Alloc + GCPressure'	262144	472.301 ns	13.4946 ns	37.6177 ns	479.022 ns	0.045
NativeMemory.Alloc	262144	711.295 ns	76.9815 ns	217.1276 ns	796.491 ns	0.028	0.02
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	262144	470.812 ns	4.2143 ns	3.9421 ns	470.417 ns	0.048
GC.AllocateUninitializedArray	262144	5,097.969 ns	55.8836 ns	52.2736 ns	5,096.607 ns	0.523	0.01

'new byte'	524288	19,023.374 ns	144.1437 ns	134.8321 ns	19,030.304 ns	1.000
ArrayPool	524288	16.372 ns	0.0065 ns	0.0051 ns	16.373 ns	0.001	0.00
Marshal.Alloc	524288	864.512 ns	10.9232 ns	9.6832 ns	866.815 ns	0.045	0.00
'Marshal.Alloc + GCPressure'	524288	662.507 ns	12.7071 ns	15.1269 ns	662.596 ns	0.035
NativeMemory.Alloc	524288	660.036 ns	5.1624 ns	8.3363 ns	657.784 ns	0.035	0.00
'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	524288	645.454 ns	12.7841 ns	14.2094 ns	650.756 ns	0.034
GC.AllocateUninitializedArray	524288	9,936.610 ns	42.6100 ns	39.8574 ns	9,959.137 ns	0.522	0.00

'new byte'	1048576	210,343.268 ns	4,036.2318 ns	3,775.4937 ns	209,505.695 ns	1.000
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'new byte'	8388608	1,148,999.833 ns	22,853.2166 ns	40,025.5654 ns	1,149,472.656 ns	1.000
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'new byte'	16777216	1,835,476.538 ns	36,402.7929 ns	102,674.7232 ns	1,837,862.939 ns	1.000
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'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	16777216	5,322.742 ns	17.3828 ns	13.5714 ns	5,327.187 ns	0.003
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'new byte'	33554432	2,586,667.734 ns	322,461.3751 ns	950,784.6401 ns	2,520,573.242 ns	1.000
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'Marshal.Alloc + GCPressure'	33554432	5,395.639 ns	47.5055 ns	44.4367 ns	5,401.366 ns	0.003
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'NativeMemory.Alloc + GCPressure'	33554432	5,395.462 ns	43.5393 ns	40.7267 ns	5,394.284 ns	0.003
GC.AllocateUninitializedArray	33554432	2,179,107.702 ns	43,172.6520 ns	100,059.1858 ns	2,189,359.583 ns	1.003	0.41

'new byte'	67108864	2,239,400.302 ns	139,427.1431 ns	411,104.0771 ns	2,200,031.348 ns	1.000
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GC.AllocateUninitializedArray	67108864	2,620,094.243 ns	122,614.2257 ns	361,530.8110 ns	2,662,540.283 ns	1.208	0.28

'new byte'	134217728	2,807,654.795 ns	59,852.9969 ns	174,594.0012 ns	2,787,194.434 ns	1.000
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