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Loudenvier
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Antes de responder de fato acho muito importante frisar que para 99,99% de todas as aplicações desenvolvidas em C# as diferenças de performance entre for e foreach não devem sequer ser levadas em consideração. É uma enorme perda de tempo se preocupar com esse nível de micro otimização antes de realmente provar-se necessário. A otimização prematura é a raiz de todo o mal na engenharia de sistemas, diria nosso poeta supremo Donald Knuth.

Dito isso, responder essa pergunta é um interessante exercício e o resultado final pode surpreender alguns. Contudo, primeiramente temos que nos ater a alguns detalhes inerentes ao .NET antes de começarmos a testar a performance das duas construções para iterações:

  1. O .NET realiza otimizações apenas no build de RELEASE
  2. O .NET realiza compilação em tempo de execução (JIT)
  3. A quantidade de iterações deve ser grande o suficiente
  4. É necessário acessar os itens em questão no código interno do loop

O item 1 é extremamente importante. Caso os testes sejam executados em modo DEBUG, o .NET não aplicará as otimizações do compilador, e isso pode transformar completamente os resultados dos testes. Em um artigo sobre performance de substituição de espaços em branco em strings os resultados dos testes viraram de ponta cabeça quando executados como RELEASE vs DEBUG.

O item 2 é importante, pois pode afetar negativamente o primeiro teste, ou as primeiras execuções de cada teste. O tempo de compilação do código em tempo de execução pode ser uma parte considerável da medição.

O item 3 nunca deve ser subestimado, pois com poucas iterações você pode estar medindo mais o tempo de cada instrução executada dentro do loop do que as diferenças de performance entre cada construção da linguagem.

O item 4 é autoexplicativo, mas importante frisar que se não forem acessados os itens dos coleções sendo varridas dentro do loop, o teste não será justo entre for e foreach pois este sempre acessa o item em questão.


Vamos aos resultados então! E logo para 1.000.000 (um milhão) de iterações (não foi executado o for do HashSet uma vez que a única maneira de pegar um item por índice é através do método de extensão ElementAt do LINQ e leva muito tempo, já que conjuntos não são indexados internamente por um índice posicional):

For vs ForEach 1.000.000 de iterações

Podemos perceber que para varrer um array quase não existe diferença entre foreach e for. Isso ocorre porque o .NET otimiza o foreach para arrays de tal forma que ele chega a ser mais rápido do que um for, já que neste acabamos precisando acessar o item do array pelo índice logo no início do loop e no foreach ele já vem disponível direto na construção da linguagem. A maioria das pessoas vai se surpreender com esse resultado, ainda mais se vier de outras linguagens de programação onde o for é uma das construções mais rápidas e quase imbatível para implementar iterações.

No caso da iteração pelos items de uma lista (um List<Data>) o for levou 60% do tempo do foreach para realizar a mesma operação. Isso, particularmente, me surpreendeu, pois não há muita explicação para essa diferença de tempo. Irei analisar o IL (código de "máquina") gerado para cada um dos métodos para tentar entender de onde toda essa diferença está vindo (e atualizarei a resposta se necessário/interessante).

Ainda assim, essa diferença é negligível (para a vasta maioria das aplicações) se considerarmos que, em 1 milhão de iterações, apenas 10ms foram adicionados ao tempo de execução.

O HashSet, como dito anteriormente, não pode ser testado com o for pois para essa quantidade de iterações tomaria muito tempo (coisa de vários minutos para cada ciclo de teste).

O código completo do programa de testes segue:

class Program
{
    const int MAX_TEST_DATA_LENGTH = 1000000; //1000000;
    const int MAX_FOR_HASHSET = 10000;
    static int testDataLength = MAX_TEST_DATA_LENGTH;

    static void Main(string[] args) {
        if (args.Length > 0)
            testDataLength = Convert.ToInt32(args[0]);
        Console.WriteLine("For vs ForEach Peformance\r\n");
        Console.Write(" ■ Inicializando dados de teste com {0} registros", testDataLength);
        watch.Start();
        baseData = new Data[testDataLength];
        for (int i = 0; i < testDataLength; i++) {
            baseData[i] = new Data(i);
        }
        listData = new List<Data>(baseData);
        arrayData = listData.ToArray();
        hashsetData = new HashSet<Data>(baseData);
        DisplayElapsed();

        Restart(" ■ Forçando JIT (compilação em runtime)");
        ForArray(); ForEachArray(); ForList(); ForEachList(); ForHashset(); ForEachHashset();
        DisplayElapsed();

        for (int i = 1; i <= 5; i++) {

            Console.WriteLine("\r\n*** Ciclo {0} de teste:\r\n", i);

            // array
            Restart(" ■ For array");
            ForArray(testDataLength);
            DisplayElapsed();
            Restart(" ■ ForEach array");
            ForEachArray(testDataLength);
            DisplayElapsed();
            // List
            Restart(" ■ For List");
            ForList(testDataLength);
            DisplayElapsed();
            Restart(" ■ ForEach List");
            ForEachList(testDataLength);
            DisplayElapsed();
            // Hashset
            Restart(" ■ For HashSet");
            if (testDataLength > MAX_FOR_HASHSET) {
                Console.Write(" >>> inviável acima de {0} iterações", MAX_FOR_HASHSET);
            } else {
                ForHashset(testDataLength);
            }
            DisplayElapsed();
            Restart(" ■ ForEach HashSet");
            ForEachHashset(testDataLength);
            DisplayElapsed();

        }

        Console.WriteLine("\r\nTecle algo para encerrar");
        Console.ReadKey(true);
    }

    static Stopwatch watch = new Stopwatch();

    static Data[] baseData;
    static Data[] arrayData;
    static List<Data> listData;
    static HashSet<Data> hashsetData;

    static void Restart(string msg) {
        Console.Write(msg);
        watch.Restart();
    }

    static void DisplayElapsed() {
        var elapsed = watch.Elapsed;
        Console.WriteLine(" >>> duração: {0}ms", elapsed.TotalMilliseconds);
    }

    static void ForArray(int iterations = 10) {
        for (int i = 0; i < iterations; i++) {
            var item = arrayData[i];
            if (item.TheInt > MAX_TEST_DATA_LENGTH)
                throw new InvalidOperationException("Tamanho inválido de iterações");
        }
    }
    static void ForEachArray(int iterations = 10) {
        foreach(var item in arrayData) {
            if (item.TheInt > MAX_TEST_DATA_LENGTH)
                throw new InvalidOperationException("Tamanho inválido de iterações");
        }
    }
    static void ForList(int iterations = 10) {
        for (int i = 0; i < iterations; i++) {
            var item = listData[i];
            if (item.TheInt > MAX_TEST_DATA_LENGTH)
                throw new InvalidOperationException("Tamanho inválido de iterações");
        }
    }
    static void ForEachList(int iterations = 10) {
        foreach (var item in listData) {
            if (item.TheInt > MAX_TEST_DATA_LENGTH)
                throw new InvalidOperationException("Tamanho inválido de iterações");
        }
    }
    static void ForHashset(int iterations = 10) {
        for (int i = 0; i < iterations; i++) {
            var item = hashsetData.ElementAt(i);
            if (item.TheInt > MAX_TEST_DATA_LENGTH)
                throw new InvalidOperationException("Tamanho inválido de iterações");
        }
    }
    static void ForEachHashset(int iterations = 10) {
        foreach (var item in hashsetData) {
            if (item.TheInt > MAX_TEST_DATA_LENGTH)
                throw new InvalidOperationException("Tamanho inválido de iterações");
        }
    }

    class Data
    {
        public Data(int seed) {
            TheGuid = Guid.NewGuid();
            TheString = string.Format("{0}: {1}", seed, TheGuid);
            TheInt = seed;
            TheByteArray = new byte[1024];
        }
        public Guid TheGuid { get; set; }
        public string TheString { get; set; }
        public int TheInt { get; set; }
        public double TheDouble { get; set; }
        public byte[] TheByteArray { get; set; }
    }

}
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