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C# 范型约束 new() 你必须要知道的事

开发技术 开发技术 2周前 (10-14) 14次浏览

C# 范型约束 new() 你必须要知道的事

注意:本文不会讲范型如何使用,关于范型的概念和范型约束的使用请移步谷歌。

本文要讲的是关于范型约束无参构造函数 new 的一些底层细节和注意事项。写这篇文章的原因也是因为看到 github 上,以及其他地方看到的代码都是那么写的,而我一查相关的资料,发现鲜有人提到这方面的细节,所以才有了此文。

这里我先直接抛出一段代码,请大家看下这段代码有什么问题?或者说能说出什么问题?

public static T CreateInstance<T>() where T: new() => new T();

先不要想这种写法的合理性(实际上很多人都会诸如此类的这么写,无非就是中间多了一些业务处理,最后还是会 return new T())。先想一下,然后在看下面的分析。

假设这样的问题出现在面试上,其实能有很多要考的点。

首先是范型约束的底层细节

如果说我们不知道范型底下到底做了什么操作,我们也不用急,我们可以用 ILSpy 来看查看一下,代码片段如下:

.method public hidebysig static 
    !!T CreateInstance<.ctor T> () cil managed 
{
    // Method begins at RVA 0x2053
    // Code size 6 (0x6)
    .maxstack 8
    
    IL_0000: call !!0 [System.Private.CoreLib]System.Activator::CreateInstance<!!T>()
    IL_0005: ret
} // end of method C::CreateInstance

没有 ILSpy 的同学可以移步这里在线查看

在 IL_0000 就能明显看出范型约束 new() 的底层实现是通过反射来实现的。至于 System.Activator.CreateInstance<T> 方法实现我在这里就不提了。只知道这里用的是它就足够了。不知道大家看到这里有没有觉得一丝惊讶,我当时是有被惊到的,因为我的第一想法就是觉得这么简单肯定是直接调用无参 .ctor,居然是用到的反射。毕竟编译器拥有在编译器就能识别具体的范型类了。现在可以马后炮的讲:正因为是编译器只有在编译期才确定具体范型类型,所以编译器无法事先知道要直接调用哪些无参构造函数类,所以才用到了反射。

如果本文仅仅只是这样,那我肯定没有勇气写下这片文章的。因为其实已经有人早在 04 年园子里就提到了这一点。但是我查到的资料也就止步于此。

试想一下 ,如果你的框架中有些方法用到了无参构造函数范型约束,并且处于调用的热路径上,其实这样性能是大打折扣的,因为反射 Activator.CreateInstance 性能肯定是远远不如直接调用无参构造函数的。

那么有没有什么方法能够在使用范型约束这个特征的同时,又不会让编译器去用反射呢?

答案肯定是有的,这点我想喜欢动手实验肯定早就知道了。其实我们可以用到委托来初始化类

范型约束 return new T() 的优化——委托

如果大家对这点都知道的话,可以略过本节(在这里鼓励大家可以写出来造福大家呀,对于这点那些不知道的人(我)要花很长时间才弄清楚 -_-)。

让我们把上面的例子改成如下方式:

public static Func<Bar> InstanceFactory => () => new Bar();

对于委托的底层相信大家还是都知道的,底层是通过生成一个类 C,在这个类中直接实例化类 Bar。下面我只贴出关键的代码片段

.method public hidebysig specialname static 
    class [System.Private.CoreLib]System.Func`1<class Bar> get_InstanceFactory () cil managed 
{
    // Method begins at RVA 0x205a
    // Code size 32 (0x20)
    .maxstack 8

    IL_0000: ldsfld class [System.Private.CoreLib]System.Func`1<class Bar> C/'<>c'::'<>9__3_0'
    IL_0005: dup
    IL_0006: brtrue.s IL_001f

    IL_0008: pop
    IL_0009: ldsfld class C/'<>c' C/'<>c'::'<>9'
    IL_000e: ldftn instance class Bar C/'<>c'::'<get_InstanceFactory>b__3_0'()
    IL_0014: newobj instance void class [System.Private.CoreLib]System.Func`1<class Bar>::.ctor(object, native int)
    IL_0019: dup
    IL_001a: stsfld class [System.Private.CoreLib]System.Func`1<class Bar> C/'<>c'::'<>9__3_0'

    IL_001f: ret
} // end of method C::get_InstanceFactory

.method assembly hidebysig 
    instance class Bar '<get_InstanceFactory>b__3_0' () cil managed 
{
    // Method begins at RVA 0x2090
    // Code size 6 (0x6)
    .maxstack 8

    IL_0000: newobj instance void Bar::.ctor()
    IL_0005: ret
} // end of method '<>c'::'<get_InstanceFactory>b__3_0'

同样我们可以通过 ILSpy 或者 在线查看示例 查看委托生成的代码。

这里可以明显看出是不存在反射调用的,IL_000e 处直接调用编译器生成的类 C 的方法 b__3_0 ,在这个方法中就会直接调用类 Bar 的构造函数。所以性能上绝对要比上种写法要高得多。

看到这里可能大家又有新问题了,众所周知,委托要在初始化时就要确定表达式。所以与此处的范型动态调用是冲突的。的确没错,委托必须要在初始化表达式时就要确定类型。但是我们现在已经知道了委托是能够避免让编译器不用反射的,剩下的只是解决动态表达式的问题,毫无疑问表达式树该登场了。

范型约束 return new T() 的优化——表达式树

对于这部分已经知道的同学可以跳过本节。

把委托改造成表达式树那是非常简单的,我们可以不假思索的写出下面代码:

private static readonly Expression<Func<T>> ctorExpression = () => new T();
public static T CreateInstance() where T : new() {
  var func = ctorExpression.Compile();
  return func();
}

到这里其实就有点”旧酒装新瓶“的意思了。不过有点要注意的是,如果单纯只是表达式树的优化,从执行效率上来看肯定是不如委托来的快,毕竟表达式树多了一层构造表达式然后编译成委托的过程。优化也是有的,再继续往下讲就有点“偏题”了。因为往后其实就是对委托,对表达式树的性能优化问题。跟范型约束倒没关系了

总结

其实如果面试真的有问到这个问题的话,其实考的就是对范型约束 new() 底层的一个熟悉程度,然后转而从反射的点来思考问题的优化方案。因为这可以散发出很多问题,比如性能优化,从直接返回 new T() 到委托,因为委托无法做到动态变化,所以想到了表达式树。那么我们继而也能举一反三的知道,如果要继续优化的话,在构造表达式树时,我们可以用缓存来节省每次调用方法的构造表达式树的时间(DI 的 CallSite 实现细节就是如此)。如果我们生思熟虑之后还要选择继续优化,那么我们还可以从表达式树转到动态生成代码这一领域,通过编写 IL 代码来生成表达式树,进而缓存下来达到近乎直接调用的性能。这也是为什么我花了很长时间弄清楚这个的原因。

最后关于代码

代码地址在:https://github.com/MarsonShine/Books/tree/master/WHPerformanceDotNet/src/GenericOptimization
注意:我上传这一版是下方第一个文章给出的例子的整理之后的版本。文中有很多代码我都没贴出来,一是觉得意义不大,重要的是思考过程和实践过程,还占文章篇幅。二是还是想让不知道这些的同学能自己动手编码自己的版本,最后才看与那些大牛写的版本的差距在哪,这样才会更有收获。

参考资料


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