Visual Studio 2019中的游戏性能和编译时间改进

VisualStudio 2019中的C++编译器包含了一些新的优化和改进，它们旨在提高游戏的性能，并通过减少大型项目的编译时间来提高游戏开发者的生产力。虽然博客文章的重点是游戏行业，但这些改进适用于大多数C++应用程序和C++开发人员。

编译时间改进

VS 2019版本中C++工具集团队的一个重点是改进链接时间，这又允许更快的迭代构建和更快的调试。对链接器的两个重要更改有助于加快调试信息（PDB文件）的生成：

• 后端中的类型修剪将删除未被任何变量引用的类型信息，并减少链接器在类型合并期间必须执行的工作量。
• 通过使用快速哈希函数来识别相同的类型，从而加快类型合并。

下表显示了链接一款大型流行AAA游戏时测量的加速比：

更多细节和额外的基准可以在 此博客帖子 .

向量（SIMD）表达式优化

代码优化器中最重要的改进之一是处理向量（SIMD）内部函数，这既可以来自源代码，也可以作为自动向量化的结果。在VS2017及之前的版本中，大多数向量操作将通过主优化器，而不需要任何特殊处理，类似于函数调用，尽管它们表示为内部函数（编译器已知的特殊函数）。从VS2019开始，大多数涉及向量内部函数的表达式都像使用 SSA优化器 .

两个浮子（例如。 _添加 )和整数（例如。 _添加epi32 )支持针对SSE/SSE2和AVX/AVX2指令集的Intrinsic版本。执行的一些优化包括：

• 恒定折叠
• 算术简化，包括重新关联
• cmp、最小/最大、abs、提取操作的处理
• 将向量转换为标量运算
• 洗牌和打包操作的模式

其他优化（如公共子表达式消除）现在可以利用对加载/存储向量操作的更好理解，这些操作的处理方式与常规加载/存储类似。有几种初始化向量寄存器的方法可以识别，并且在表达式简化过程中使用这些值（例如。 _mmu集u ps、u mmu集u ps1、u mmu集u ps、u mmu集零u ps 对于浮点值）。

另一个重要的加法是当/arch:AVX2 compiler 使用标志–以前它只对标量浮点代码执行。这允许CPU计算表达式 a*b+c型 在更少的循环中，这在数学繁重的代码中是一个显著的加速，如下例所示。

下面的代码举例说明了使用/arch:AVX2 and 使用/fp:fast时表达式优化：

__m128 test(float a, float b) { __m128 va = _mm_set1_ps(a); __m128 vb = _mm_set1_ps(b); __m128 vd = _mm_set1_ps(-b);

// Computes (va * vb) + (va * -vb) return _mm_add_ps(_mm_mul_ps(va, vb), _ mm_mul_ps(va, vd)); }

更多的例子可以在这个古老的网站上找到 博客文章 ，它讨论了几个编译器的SIMD生成—VS2019现在按预期处理所有情况，还有更多！

矢量优化的基准测试

为了衡量矢量优化的好处，Xbox ATG（Advanced Technology Group）提供了一个基于Unreal Engine 4代码的基准，用于常见的数学运算，如SIMD表达式、矢量/矩阵变换和sin/cos/sqrt函数。这些测试是值为常量的情况和值在编译时未知的情况的组合。这测试了编译时不知道值的常见场景，但也测试了内联之后通常出现的情况，即某些值变成常量。

下表显示了分为四个类别的测试的加速比，执行时间（毫秒）是该类别中所有测试的总和。下表显示了使用未知随机值时几个单独测试的改进–使用常量的版本现在按预期折叠。

改进虚幻引擎4-渗透演示

为了确保我们的努力有益于实际游戏，而不仅仅是微观基准，我们使用了 渗透者演示 作为一款基于虚幻引擎4.21的AAA游戏的代表。大部分是实时呈现的电影序列，具有复杂的图形、动画和物理，执行模式类似于实际游戏；同时，它也是获得稳定的、可重复的结果的一个很好的目标，这些结果是研究性能和度量编译器改进的影响所必需的。

衡量游戏性能的主要方法是使用帧时间。帧时间可以看作FPS（每秒帧数）的倒数，表示准备显示一帧所需的时间，值越小越好。虚幻引擎的两个主要线程是游戏线程和渲染线程-这项工作主要集中在游戏线程的性能。

有四个版本正在测试，都是基于默认的Unreal引擎设置，使用 统一（巨型）建筑 和have/fp:fast/favor:AMD64 enabled. 请注意，正在使用AVX2指令集，但保留默认AVX的一个版本除外：

• 与2017年（15.9）相比/arch:AVX2
• 与2019年（16.0）相比/arch:AVX2
• 与2019年（16.0）相比/arch:AVX2 and /LTCG，展示其优势使用方法 链路时间代码生成
• 与2019年（16.0）相比/arch:AVX，以展示使用AVX2而不是AVX的好处

测试细节：

• 要捕获帧时间，自定义 ETW公司 提供者被集成到游戏中，以向用户报告值 Xperf公司 在后台运行。游戏的每个构建都有一个热身运行，然后在启用ETW跟踪的情况下运行整个游戏10次。每0.5秒计算一次最终帧时间，作为这10次运行的平均值。这个过程是由一个脚本自动执行的，这个脚本启动游戏一次，每次迭代后从一开始就重新启动关卡。在210秒（3:30米）长的演示中，前170秒被捕获。
• 测试PC配置：
  • AMD Ryzen 2700x CPU（8核/16线程）固定在3.4Ghz，以消除动态频率缩放测量中的潜在噪声
  • AMD Radeon RX 470 GPU
  • 32 GB DDR4-2400内存
  • Windows 10 1809
• 游戏的分辨率是640×480以减少GPU渲染的影响

结果：

下面的图表显示了四个测试版本的游戏到第170秒的测量帧时间。帧时间范围从4ms到15ms，在图形密集的部分大约是秒 155-165 . 为了使构建之间的差异更加明显，将放大“最快”和“最慢”部分。如前所述，帧时间值越低越好。

下表总结了整个游戏的平均结果，并将重点放在“慢”部分，其中可以看到最大的改进：

• 与2017年相比，VS 2019将帧时间提高了2.8%
• 与默认的unity构建相比，LTCG构建将帧时间提高了3.2%
• 在AVX上使用AVX2显示出显著的帧时间改进，高达8.5%，这在很大程度上是由于编译器为标量（现在是16.0）向量操作自动生成FMA指令。

通过计算一个构建相对于另一个构建的加速比（以百分比表示），可以更容易地看到游戏不同部分的性能。下表显示了比较16.0/15.9和AVX/AVX2版本的帧时间时的结果–X轴是游戏中的时间，Y轴是帧时间改进百分比：

更多优化

除了向量指令优化，VS 2019有几种新的优化，既有助于游戏又有助于C++程序：

• 在其他一些情况下，无用的结构/类副本正在被删除，包括输出参数和返回对象的函数的副本。这种优化在以值传递对象的C++程序中特别有效。
• 添加了一个更强大的分析，用于从控制流（if/else/switch语句）中提取有关变量的信息，用于删除可以证明总是正确或错误的分支，并改进变量范围估计。
• 展开的等长内存集现在将使用16字节的存储指令（或32字节的存储指令）/arch:AVX).
• 文中给出了几种新的标量FMA模式/arch:AVX2. 其中包括以下常用表达式：（x+1.0）*y(x–1.0）*y(1.0–x）*y(-1.0–x）*y。
• 更全面的后端改进列表可以在这里找到 博客文章 .

我们希望你能 下载Visual Studio 2019 试试看。一如既往，我们欢迎您的反馈。我们可以通过下面的评论或电子邮件联系我们( visualcpp@microsoft.com ). 如果您在使用visualstudio或MSVC时遇到问题，或者有什么建议，请告诉我们 帮助>发送反馈>报告问题/提供建议 在产品中，或通过 开发者社区 . 你也可以在Twitter上找到我们( @视觉 )和Facebook（msftvisualcpp）。