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C# - 왜 구조체는 16 바이트의 크기가 적합한가?

지난 글에서,

C# - 구조체의 크기가 16바이트가 넘어가면 힙에 할당된다?
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/12619

"16바이트"는 그래도 의미가 있는 숫자입니다. 관련해서 마이크로소프트의 문서를 보면,

Choosing Between Class and Struct
; https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/standard/design-guidelines/choosing-between-class-and-struct

다음의 조건을 만족하지 않는 한 class를 사용하는 것을 권장합니다.

  • 논리적으로 단일 값을 표현하는 경우
  • 16바이트 이하의 크기를 가진 경우
  • 불변 타입으로 대우하려는 경우
  • 박싱 연산이 자주 발생하지 않는 경우

이 중에서 유독 정확히 16바이트라는 수치를 명시한 이유가 궁금하지 않을 수 없습니다. 얼핏 생각해 보면, CPU의 워드 단위로 32비트에서는 4바이트, 64비트에서는 8바이트만큼 하나의 연산으로 취급할 수 있기 때문에 속도 면에서 보면 16바이트라고 해서 딱히 빨라질 이유가 없는 것입니다.

이에 대한 비밀은, SSE(Streaming SIMD Extensions) 레지스터와 연관이 있습니다.

x86 인텔 CPU의 경우 128비트 크기의 SSE 레지스터를 xmm0 ~ xmm7까지, 64비트인 경우 추가로 xmm8 ~ xmm15를 가지고 있는데, 바로 이 레지스터를 사용하기 때문에 128비트, 즉 16 바이트 크기에 대해서는 레지스터 하나로 처리할 수 있어 구조체의 권장 크기가 된 것입니다.

과연 그런지 눈으로 확인해 볼까요? ^^

public struct Size16
{
    public long l1;
    public long l2;
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Size16 v1 = new Size16();
        Size16 v2 = v1;
    }
}

위와 같이 코딩을 하고, 디버깅을 진행해 ".NET Disassembly" 창을 띄워 기계어 코드로 확인해 보면 다음의 xmm0 레지스터 사용을 확인할 수 있습니다. (그런데, 사실 CPU/메모리 간의 64비트 I/O 입출력은 마찬가지일 텐데 CPU 내부에서의 16바이트 접근만으로 얼만큼의 성능 효과가 있는지는 의문입니다.)

    18:         Size16 v2 = v1;
00007FFA300608D1 C4 E1 7A 6F 45 38    vmovdqu     xmm0,xmmword ptr [rbp+38h]  
00007FFA300608D7 C4 E1 7A 7F 45 28    vmovdqu     xmmword ptr [rbp+28h],xmm0  

그러니까, 적어도 16바이트까지는 (v)mov(dqu) 명령어로 빠르게 데이터를 옮길 수 있기 때문에 구조체의 권장 크기가 된 것입니다. (dqu == double-quadword-unaligned, __m128i)




재미 삼아서, 자신의 컴퓨터에 있는 CPU가 어느 정도의 SSE/AVX를 지원하고 있는지 알고 싶다면 간단하게 coreinfo 도구를 활용할 수 있습니다.

Coreinfo v3.52
; https://docs.microsoft.com/en-us/sysinternals/downloads/coreinfo

i5-4670 CPU에서 이를 실행시켜 보면 다음의 결과를 확인할 수 있습니다.

C:\Windows\System32> coreinfo

Coreinfo v3.52 - Dump information on system CPU and memory topology
Copyright (C) 2008-2021 Mark Russinovich
Sysinternals - www.sysinternals.com


Intel(R) Core(TM) i5-4670 CPU @ 3.40GHz
Intel64 Family 6 Model 60 Stepping 3, GenuineIntel
Microcode signature: 00000028
HTT             *       Hyperthreading enabled
CET             -       Supports Control Flow Enforcement Technology
...[생략]...


FPU             *       Implements i387 floating point instructions
MMX             *       Supports MMX instruction set
MMXEXT          -       Implements AMD MMX extensions
3DNOW           -       Supports 3DNow! instructions
3DNOWEXT        -       Supports 3DNow! extension instructions
SSE             *       Supports Streaming SIMD Extensions
SSE2            *       Supports Streaming SIMD Extensions 2
SSE3            *       Supports Streaming SIMD Extensions 3
SSSE3           *       Supports Supplemental SIMD Extensions 3
SSE4a           -       Supports Streaming SIMDR Extensions 4a
SSE4.1          *       Supports Streaming SIMD Extensions 4.1
SSE4.2          *       Supports Streaming SIMD Extensions 4.2

AES             *       Supports AES extensions
AVX             *       Supports AVX instruction extensions
AVX2            *       Supports AVX2 instruction extensions
AVX-512-F       -       Supports AVX-512 Foundation instructions
AVX-512-DQ      -       Supports AVX-512 double and quadword instructions
AVX-512-IFAMA   -       Supports AVX-512 integer Fused multiply-add instructions
AVX-512-PF      -       Supports AVX-512 prefetch instructions
AVX-512-ER      -       Supports AVX-512 exponential and reciprocal instructions
AVX-512-CD      -       Supports AVX-512 conflict detection instructions
AVX-512-BW      -       Supports AVX-512 byte and word instructions
AVX-512-VL      -       Supports AVX-512 vector length instructions
...[생략]...

"AMD Ryzen 7 PRO 4750G"에서도 위와 유사한 결과를 얻을 수 있는데요, 그러니까 근래의 컴퓨터들은 대부분 256비트의 레지스터(YMM0~YMM15)들이 있으므로 이것을 활용하면 구조체의 데이터 이동을 32바이트까지 빠르게 옮길 수 있지만 아쉽게도 .NET JIT 컴파일러는 아직 구조체 연산에 AVX 레지스터를 활용하진 않고 있습니다.

다행히 JIT 컴파일러에 SSE/AVX 관련 통합이 되고 있다는 소식은 있습니다.

The JIT finally proposed. JIT and SIMD are getting married.
; https://devblogs.microsoft.com/dotnet/the-jit-finally-proposed-jit-and-simd-are-getting-married/

Using .NET Hardware Intrinsics API to accelerate machine learning scenarios
; https://devblogs.microsoft.com/dotnet/using-net-hardware-intrinsics-api-to-accelerate-machine-learning-scenarios/

위의 두 번째 링크가 최신 소식인데 .NET Core 3.0부터 AVX 명령어를 사용한다는데요,

On .NET Core 3.0, the system will use the new managed implementation with AVX hardware intrinsics.

하지만 엄밀히 이것은 구조체 연산에 사용한다는 것이 아니고 ML.NET이나 수치 연산을 위한 라이브러리에 한정된 것으로 보입니다. 아무튼 언제까지 16바이트 권장이 유지될지는 모를 일입니다. ^^ (어쩌면 이것도 하위 호환이라는... ^^;)




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[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 5/3/2021]

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댓글 쓴 사람
 



2021-04-30 09시33분
관련해서 검색해 보니 다음의 글이 나오는데요,

1. c#에서의 struct 와 class 의 new에 대한 이야기
; https://asta8080.tistory.com/5

위의 글에 보면,

".Net에서는 이전 버전에서는 16바이트 현 버전에서는 약 24~26바이트 정도 까지 한번에 복사가 가능"

이라고 써 있지만, 제가 쓴 글에서의 첨부 파일을 테스트해 보면 알겠지만 16바이트 까지만 현재 한 번에 복사가 가능합니다.

또한,

"C++의 경우 이런 거대한 데이터를 전달해야할 상황일때 포인터로 전달하는 방법이 있겠으나 C#은 일반적으론 거대한 Struct를 전달 하는 경우에 대한 마땅한 해결책이 없습니다."

라는 의견도 있는데요, "1. c#에서의 struct 와 class 의 new에 대한 이야기" 글이 C# 7.2가 나오는 2017년 12월 이전에 쓰여진 글이라면 타당한 의견일 수 있었습니다. 현재는 (기존의) ref 및 (C# 7.2의) in 변경자 덕분에 전달 자체로 인한 부하는 신경만 쓴다면 class 못지 않게 줄일 수 있습니다.
정성태

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