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替代反射调用的几种方式及性能测试

2013-03-31 17:25 by 鹤冲天, ... 阅读, ... 评论, 收藏, 编辑

园子里和这个话题的相关文章比较多,本文是旧话重提,外加个小的总结。主要因为近期看到很多同事、朋友都已经使用 VS2012 进行 .NET 4.5 开发了,却还在大量使用反射,不知道用新的方式。或有所了解,但又害怕性能不好不敢大胆去用。

本文以如下类为例:

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public class MyMath
{
    public int Add(int a, int b)
    {
        return a + b;
    }
}

替代反射的几种方式

倒序说吧,从最先进最简单的开始。

1. dynamic 调用

.NET 4 引入了 dynamic 类型,可以使用如下方式来完成对 MyMath.Add 方法的动态调用:

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dynamic math = new MyMath();
int result = math.Add(1, 2);

非常简单,效率也不错,可以看后面的性能对比测试结果。

但有一点要注意, dynamic 遵守 .NET 的访问级别限定,会对成员进行可见性检查。也就是说,只能 dynamic 调用 public 成员;当然,如果是同一程序集内部,internal 成员也是可以访问的。

2. Expression Tree 编译调用

Expression Tree 是 .NET 3.5 引入的。简单地,我们可以使用 lambda 构建一颗 Expression Tree:

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var math = new MyMath();
Expression<Func<int, int, int>> add = (a, b) => math.Add(a, b);

这种方法适合手工编码构建,还有另外一种方式可以动态构建:

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var add = typeof(MyMath).GetMethod("Add");
var math = Expression.Parameter(typeof(MyMath));
var a = Expression.Parameter(typeof(int), "a");
var b = Expression.Parameter(typeof(int), "b");
var body = Expression.Call(myMath, add, a, b);
var lambda = Expression.Lambda<Func<MyMath, int, int, int>>(body, math, a, b);

两种方式构建出的 Tree 是相同的。

话归正题,构建出表达式树后,调用其 Compile 方法便可编译成一个委托,如下代码第 3 行:

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var math = new MyMath();
Expression<Func<int, int, int>> addExpTree = (a, b) => math.Add(a, b);  // ExressionTree
Func<int, int, int> add = addExpTree.Compile();                         //  编译成委托
var result = add(1, 2);                                                 // 相加,结果为3

与 dynamic 调用方法同,Expression Tree 编译出的委托方法也遵守 .NET 的访问级别限定,会对成员进行可见性检查,不能访问私有成员。

3. 反射发出调用

这里只介绍反射发出的一项技术 DynamicMethod,.NET 2.0 新增此类。

使用 DynamicMethod 类在运行时定义轻量全局方法,然后使用委托执行这些方法。

针对 MyMath.Add 方法,调用比前面两种方式复杂些:

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var addMethod = typeof(MyMath).GetMethod("Add");
var dynamicMethod = new DynamicMethod("", typeof(int), new[] { typeof(MyMath), typeof(int), typeof(int) });
//
var il = dynamicMethod.GetILGenerator();
il.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
il.Emit(OpCodes.Ldarg_1);
il.Emit(OpCodes.Ldarg_2);
il.Emit(OpCodes.Callvirt, addMethod);
il.Emit(OpCodes.Ret);
//
var add = (Func<MyMath, int, int, int>)dynamicMethod.CreateDelegate(typeof(Func<MyMath, int, int, int>));
//
var math = new MyMath();
var result = add(math, 1, 2);

从第 5 行起,使用几个 IL 汇编指令,简单一说:

  • 第 5 行,OpCodes.Ldarg_0 是将索引为 0 的参数值推送到堆栈上,Ldarg_1、Ldarg_2 以此类推;
  • 第 6 行,OpCodes.Callvirt 是调用对象的(后期绑定)方法,并且将返回值推送到计算堆栈上;
  • 第 9 行,OpCodes.Ret 表达从当前方法返回,并将返回值(如果存在)从调用方的计算堆栈推送到被调用方的计算堆栈上。

反射发出是在汇编级别的,很底层,也就意味着效率更高、威力更强大。反射发出能绕过跳过 JIT 可见性检查,访问 private 成员(对于 DynamicMethod 类,请查看:DynamicMethod 构造函数 (String, Type, Type[], Boolean))。

下面是几种方法的性能测试。

性能对比测试

这里对直接、反射发出、dynamic 、表达式树编译、反射五种调用方式进行性能对比测试。

测试结果

先给出测试的结果:

image

从上图中可以看出:

  • 直接调用性能最佳;
  • 反射发出和表达式树两种方式性能相当,速度接近直接调用;
  • dynamic 性能居中,也不错;
  • 反射方式性能最差。

另外说明两点:

  1. 本次测试仅针对 MyMath.Add 方法,其参数和返回值都是值类型,反射调用时存在大量装箱、拆箱。如果测试方法的参数和返回值都是引用类型,反射方式与其它方式间的差距会小些。
  2. 从上图可以看出这几次方式性能差别较大,但此结果是重复 100 万次的情况下得出的。考虑单次调用,反射只比直接调用慢 381 纳秒。如果你的代码不是位于循环的中心或是系统的瓶颈,调用次数不多,性能差异可以完全忽略。

测试代码

以下是测试用代码,仅参考:

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using System;
using System.Linq.Expressions;
using System.Reflection.Emit;

public class MyMath {
    public int Add(int a, int b) { return a + b; }
}

class Program {
    static void Main(string[] args) {
        int result;
        var math = new MyMath();
        var count = 1000000;

        Console.WriteLine("数据量:" + count);
        Console.WriteLine("-----------------------------r\n");

        using (Profiler.Step("循环:{0} ms")) {
            for (int i = 0; i < count; i++)
                result = 1;
        }
        using (Profiler.Step("直接调用 :{0} ms")) {
            for (int i = 0; i < count; i++)
                result = math.Add(i, i);
        }
        using (Profiler.Step("反射发出:{0} ms")) {
            var emitAdd = BuildEmitAddFunc();
            for (int i = 0; i < count; i++)
                result = emitAdd(math, i, i);
        }
        using (Profiler.Step("表达式树:{0} ms")) {
            var expressionAdd = BuildExpressionAddFunc();
            for (int i = 0; i < count; i++)
                result = expressionAdd(math, i, i);
        }
        using (Profiler.Step("dynamic 调用:{0} ms")) {
            dynamic d = math;
            for (int i = 0; i < count; i++)
                result = d.Add(i, i);
        }
        using (Profiler.Step("反射调用:{0} ms")) {
            var add = typeof(MyMath).GetMethod("Add");
            for (int i = 0; i < count; i++)
                result = (int)add.Invoke(math, new object[] { i, i });
        }

        Console.WriteLine("\r\n\r\n测试完成,任意键退出...");
        Console.ReadKey();
    }
    static Func<MyMath, int, int, int> BuildExpressionAddFunc() {
        var add = typeof(MyMath).GetMethod("Add");
        var math = Expression.Parameter(typeof(MyMath));
        var a = Expression.Parameter(typeof(int), "a");
        var b = Expression.Parameter(typeof(int), "b");
        var body = Expression.Call(math, add, a, b);
        var lambda = Expression.Lambda<Func<MyMath, int, int, int>>(body, math, a, b);
        return lambda.Compile();
    }
    static Func<MyMath, int, int, int> BuildEmitAddFunc() {
        var add = typeof(MyMath).GetMethod("Add");
        var dynamicMethod = new DynamicMethod("", typeof(int), new[] { typeof(MyMath), typeof(int), typeof(int) });
        var il = dynamicMethod.GetILGenerator();
        il.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
        il.Emit(OpCodes.Ldarg_1);
        il.Emit(OpCodes.Ldarg_2);
        il.Emit(OpCodes.Callvirt, add);
        il.Emit(OpCodes.Ret);
        return (Func<MyMath, int, int, int>)dynamicMethod.CreateDelegate(typeof(Func<MyMath, int, int, int>));
    }
}

Profiler 是我写的一个类,用于简化测试:

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using System;
using System.Diagnostics;

public class Profiler : IDisposable {
    private Stopwatch watch;
    private string message;

    private Profiler(string message) {
        this.watch = new Stopwatch();
        this.watch.Start();
        this.message = message;
    }

    public void Dispose() {
        watch.Stop();
        Console.WriteLine(message, watch.ElapsedMilliseconds);
        Console.WriteLine();
    }

    public static IDisposable Step(string message) {
        return new Profiler(message);
    }

    public static T Inline<T>(string message, Func<T> func) {
        using (new Profiler(message))
            return func();
    }
}

总结

综上所述,我们可以使用 .NET 2.0 的 DynamicMethod,.NET 3.5 引入的 Expression Tree、.NET 4 新增的 dynamic 来替换反射调用,带来更好的性能。

希望本文对大家有所帮助,也希望整天忙于项目、疲于工作的朋友抽点时间学习下 .NET Framework 的一些“新”特性。