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為什么.NET的反射這么慢？

大家都知道 .NET 的反射很慢，但是為什么會出現(xiàn)這種情況呢？這篇文章會帶你尋找這個問題的真正原因。

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CLR 類型系統(tǒng)的設計目標

原因之一是，在設計的時候反射本身就不是以高性能為目標的，可以參考Type System Overview – ‘Design Goals and Non-goals’(類型系統(tǒng)概覽 – ‘設計目標和非目標’)：

目標

  • 運行時通過快速執(zhí)行(非反射)代碼訪問需要的信息。
  • 編譯時直接訪問所需要的信息來生成代碼。
  • 垃圾回收/遍歷?？梢栽L問需要信息而不需要鎖或分配內(nèi)存。
  • 一次只加載最少量的類型。
  • 類型加載時只加載最少需要加載的類型。
  • 類型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須在 NGEN 映像中保存。

非目標

  • 元數(shù)據(jù)的所有信息能直接反射 CLR 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
  • 快速使用反射。

參閱出處相同的 Type Loader Design – ‘Key Data Structures’(類型加載器設計 – ‘關鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)’):

EEClass

MethodTable(方法表)數(shù)據(jù)分為“熱”和“冷”兩種結(jié)構(gòu)，以提高工作集和緩存的利用率。MethodTable 本身只存儲程序穩(wěn)定狀態(tài)的“熱”數(shù)據(jù)。EEClass 存儲“冷”數(shù)據(jù)，它們通常是類型加載、JITing或反射所需要的。每個 MethodTable 指向一個 EEClass。

反射是如何工作的？

我們已經(jīng)知道反射本身就不是以快為目標來設計的，但是它為什么需要那么多時間呢？

為了說明這個問題，來看看反射調(diào)用過程中，托管代碼和非托管代碼的調(diào)用棧。

  • System.Reflection.RuntimeMethodInfo.Invoke(..) - 源碼鏈接
    • 調(diào)用 System.Reflection.RuntimeMethodInfo.UnsafeInvokeInternal(..)
  • System.RuntimeMethodHandle.PerformSecurityCheck(..) - 鏈接
    • 調(diào)用 System.GC.KeepAlive(..)
  • System.Reflection.RuntimeMethodInfo.UnsafeInvokeInternal(..) - 鏈接
    • 調(diào)用 System.RuntimeMethodHandle.InvokeMethod(..) 的存根
  • System.RuntimeMethodHandle.InvokeMethod(..) 的存根 - 鏈接

即使不點擊鏈接，想必你也能直觀感受到改方法執(zhí)行的大量代碼。參考示例：System.RuntimeMethodHandle.InvokeMethodis 超過 400 行代碼！

那么，它具體在做什么？

獲取方法信息

要使用反射來調(diào)用字段/屬性/方法，你必須獲得 FieldInfo/PropertyInfo/MethodInfo，使用這樣的代碼：

Type t = typeof(Person);      
FieldInfo m = t.GetField("Name");

這需要一定的成本，因為需要提取相關的元數(shù)據(jù)，并對其進行解析。運行時會幫我們維持一個內(nèi)部緩存，緩存著所有字段/屬性/方法。這個緩存由 RuntimeTypeCache 類實現(xiàn)，用法示例在 RuntimeMethodInfo 類中.

運行 gist 中的代碼你可以看到緩存的何運作方式，它恰如其分地使用反射檢查運行時內(nèi)部！

gist 上的代碼會在你使用反射獲得 FieldInfo 之前輸出下列內(nèi)容：

Type: ReflectionOverhead.Program
Reflection Type: System.RuntimeType (BaseType: System.Reflection.TypeInfo)
m_fieldInfoCache is null, cache has not been initialised yet

不過一旦你獲得字段，就會輸出：

Type: ReflectionOverhead.Program
Reflection Type: System.RuntimeType (BaseType: System.Reflection.TypeInfo)
RuntimeTypeCache: System.RuntimeType+RuntimeTypeCache, 
m_cacheComplete = True, 4 items in cache
  [0] - Int32 TestField1 - Private
  [1] - System.String TestField2 - Private
  [2] - Int32 k__BackingField - Private
  [3] - System.String TestField3 - Private, Static

ReflectionOverhead.Program 看起來像這樣：

class Program
{
    private int TestField1;
    private string TestField2;
    private static string TestField3;

    private int TestProperty1 { get; set; }
}

看來運行時會篩選已經(jīng)創(chuàng)建過的東西，這意味著調(diào)用 GetFeild 或 GetFields 不需要多大代價。對于 GetMethod 和 GetProperty 來說也是如此，MethodInfo 或 PropertyInfo 會在你***次調(diào)用的時候創(chuàng)建并緩存起來。

參數(shù)校驗和錯誤處理

得到 MethodInfo 之后，如果調(diào)用它的 Invoke 方法，會要處理很多事項。假設編寫代碼如下：

PropertyInfo stringLengthField = 
    typeof(string).GetProperty("Length", 
        BindingFlags.Instance | BindingFlags.Public);
var length = stringLengthField.GetGetMethod().Invoke(new Uri(), new object[0]);

如果運行上述代碼，會得到下面的異常：

System.Reflection.TargetException: Object does not match target type.
   at System.Reflection.RuntimeMethodInfo.CheckConsistency(..)
   at System.Reflection.RuntimeMethodInfo.InvokeArgumentsCheck(..)
   at System.Reflection.RuntimeMethodInfo.Invoke(..)
   at System.Reflection.RuntimePropertyInfo.GetValue(..)

這是因為我們獲得了 String 類 Length 屬性的 PropertyInfo，但是卻在 Uri 對象上調(diào)用它，顯然，這是個錯誤的類型！

此外，你還必須在調(diào)用方法時對傳遞給方法的參數(shù)進行校驗。為了能傳遞參數(shù)，反射 API 使用了一個 object 的數(shù)組作為參數(shù)，其中每一個元素表示一個參數(shù)。所以，如果你使用反射來調(diào)用 Add(int x, int y) 方法，你得調(diào)用 methodInfo.Invoke(.., new [] { 5, 6 })。運行時會對傳入?yún)?shù)的數(shù)量和類型進行檢查，在這個示例中你要確保是 2 個 int 類型的參數(shù)。這些工作不好的地方是常常需要裝箱，這會增加額外的成本。希望這在將來會降到***。

安全性檢查

另一個主要任務是多重安全性檢查。例如，你不允許使用反射來任意調(diào)用你想調(diào)用的方法。這里存在一些限制的或 ‘危險方法’，只能由可信度高的 .NET 框架代碼調(diào)用。除了黑名單外，還有動態(tài)安全檢查，它由調(diào)用時必須檢查的的當前代碼訪問安全權(quán)限決定。

反射機制耗時多少？

了解反射的實際操作后，我們來看看實際耗時。請注意，這些基準測試是通過反射直接比較讀/寫屬性來完成的。在 .NET 中屬性是一對 Get/Set 方法，這是由編譯器生成的，但當屬性只包含一個簡單的內(nèi)嵌字段時，.NET JIT 會使用內(nèi)聯(lián) Get/Set 方法以提升性能。這意味著使用反射訪問屬性可能會遇到反射性能最差的情況，但它會被選擇是因為這是最常見的用例，數(shù)據(jù)位于 ORMs, Json 序列化/反序列化庫和對象映射工具中。

以下是由 BenchmarkDotNet 提供的原始結(jié)果，后面是在2個單獨的表中顯示的相同結(jié)果。 （全部Benchmark代碼由此下載 ）

讀取屬性值(‘Get’)

寫屬性值(‘Set’)

我們可以清楚地看到，正常的反射代碼（GetViaReflection/SetViaReflection）比直接訪問屬性（GetViaProperty/SetViaProperty）要慢得多。 其他結(jié)果，我們還要進一步分析。

設置

首先我們從 aTestClass 開始，代碼如下：

public class TestClass
{
    public TestClass(String data)     {
        Data = data;
    }

    private string data;
    private string Data
    {
        get { return data; }
        set { data = value; }
    }
}

 以及下面的通用代碼，這里包含了所有可用的選項：

// Setup code, done only once 
TestClass testClass = new TestClass("A String");
Type @class = testClass.GetType();
BindingFlag bindingFlags = BindingFlags.Instance | 
                           BindingFlags.NonPublic | 
                           BindingFlags.Public;

正常的反射

首先我們使用常規(guī)基準代碼來表示我們的起始情況和“最壞情況”：

[Benchmark]public string GetViaReflection() {
    PropertyInfo property = @class.GetProperty("Data", bindingFlags);
    return (string)property.GetValue(testClass, null);
}

選擇1 – 緩存 PropertyInfo

接下來，我們通過保存引用至 PropertyInfo 以獲得速度上的少量提升，而不是每次都去獲取。但即使這樣，與直接訪問屬性相比，也仍然慢得多，這就表明在反射的“調(diào)用”部分成本很高。

// Setup code, done only once
PropertyInfo cachedPropertyInfo = @class.GetProperty("Data", bindingFlags);

[Benchmark]
public string GetViaReflection() {    
    return (string)cachedPropertyInfo.GetValue(testClass, null);
}

選擇2 – 使用 FastMember

這里使用了 Marc Gravell 優(yōu)秀的 Fast Member 庫，這個庫用起來很簡單！

// Setup code, done only once
TypeAccessor accessor = TypeAccessor.Create(@class, allowNonPublicAccessors: true);

[Benchmark]
public string GetViaFastMember() {
    return (string)accessor[testClass, "Data"];
}

注意，與其他選擇稍有不同，它創(chuàng)建了一個 TypeAccessor 來訪問類型中的所有屬性，而不僅是某一個。這帶來的負面影響是會導致運行時間變長，因為它在內(nèi)部首先要為你請求的屬性(這個例子中是‘Data’)創(chuàng)建委托，然后再獲取其值。不過這種開銷是很小的，F(xiàn)astMember 仍然比其它反射方法更快，也更易用。所以我建議你先去看看。

這個選擇及隨后的選擇將反射代碼轉(zhuǎn)換委托，這樣就可以直接調(diào)用而不再需要每次都進行反射，速度因此得到提升！

必須指出創(chuàng)建一個委托需要一定的成本（可以從 ‘相關閱讀’ 了解更多）?？傊?，速度提升是因為我們在其中進行過一次大投入（安全檢查等）并保存了一個強類型的委托，之后我們只要稍微付出一點就可以一次次調(diào)用。如果反射只進行一次，那你大可不必使用這些技術(shù)。但是如果你只進行一次反射操作，它也不會出現(xiàn)性能瓶頸，你就完全不用在乎它會變慢！

通過委托讀某個屬性仍然不如直接訪問來得快，因為 .NET JIT 不會將對委托方法的調(diào)用進行內(nèi)聯(lián)優(yōu)化，而直接訪問屬性則會。因此即使使用委托，我們也需要為調(diào)用方法付出成本，而直接訪問屬性就不會。

選項3——創(chuàng)建代理（Delegate）

在這個選項中，我們使用 CreateDelegate 函數(shù)來將 PropertyInfo 轉(zhuǎn)換為常規(guī)的 delegate：

// Setup code, done only once
PropertyInfo property = @class.GetProperty("Data", bindingFlags);
Func getDelegate = 
    (Func)Delegate.CreateDelegate(
             typeof(Func), 
             property.GetGetMethod(nonPublic: true));

[Benchmark]
public string GetViaDelegate() {
    return getDelegate(testClass);
}

它的缺點是你必須知道編譯時的具體類型，也就是上面的代碼中的 Func 部分（如果使用 Func，編譯器會拋出一個異常！）。不過，在大多數(shù)情況下，使用反射不會遇到這么多麻煩。

有效避免麻煩，請參閱 MagicMethodHelper 代碼（在 Jon Skeet 發(fā)布的“Making Reflection fly and exploring delegates“博客中），或閱讀下面的選項 4 或 5。

選項4——編譯表達式樹（Compiled Expression Trees）

這里我們生成一個 delegate，但不同的是我們可以傳入一個 object，所以我們會看到“選項4”的限制。我們使用支持動態(tài)代碼生成的 .NET Expression tree API：

// Setup code, done only once
PropertyInfo property = @class.GetProperty("Data", bindingFlags);
ParameterExpression = Expression.Parameter(typeof(object), "instance");
UnaryExpression instanceCast = 
    !property.DeclaringType.IsValueType ? 
        Expression.TypeAs(instance, property.DeclaringType) : 
        Expression.Convert(instance, property.DeclaringType);
Func GetDelegate = 
    Expression.Lambda>(
        Expression.TypeAs(
            Expression.Call(instanceCast, property.GetGetMethod(nonPublic: true)),
            typeof(object)), 
        instance)
    .Compile();

[Benchmark]
public string GetViaCompiledExpressionTrees() {
    return (string)GetDelegate(testClass);
}

關于 Expression 的全部代碼可以從“Faster Reflection using Expression Trees（使用表達式樹的快速反射機制）“博客下載。

選項 5——IL Emit 動態(tài)代碼生成

***，雖然“權(quán)力越大，責任越大”，但這里我們還是使用***層的方法調(diào)用原始 IL，：

// Setup code, done only once
PropertyInfo property = @class.GetProperty("Data", bindingFlags);
Sigil.Emit getterEmiter = Emit>
    .NewDynamicMethod("GetTestClassDataProperty")
    .LoadArgument(0)
    .CastClass(@class)
    .Call(property.GetGetMethod(nonPublic: true))
    .Return();
Func getter = getterEmiter.CreateDelegate();

[Benchmark]
public string GetViaILEmit() {
    return getter(testClass);
}

使用 Expression tress（如選項 4 中所說），并沒有給出像直接調(diào)用 IL 代碼那么多的靈活性，盡管它確實能防止你調(diào)用無效代碼！ 考慮到這一點，如果你發(fā)現(xiàn)自己確實需要 emit IL，我強烈推薦你使用性能卓越的 Sigil 庫，因為它能在出錯時提供更好的錯誤提示消息！

小結(jié)

如果（也只是如果）你發(fā)現(xiàn)自己在使用反射的時候有性能問題，有一些辦法可以讓它變得更快。獲得這些速度提升是因為委托帶來的對屬性/字段/方法進行直接訪問，這避免了每次進行反射的開銷。

請在 /r/programming 和 /r/csharp 參考討論這篇文章


本文題目：為什么.NET的反射這么慢？
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