.Net8顶级性能优化:类型转换

1.前言
.Net8通过各种骚操，把性能提升到了前所未有的高度。超越以往任何版本，也涵盖了后续版本，比如.NET9或许可能没有如此大的性能优化了。本篇来看下它其中的一个优化:类型转换的优化效果。

2.示例

通过类型检查的优化，优化掉某些情况下类型转换的时候JIT类型检查的函数。下面的代码是类型检查的典型应用。

[HideColumns("Error", "StdDev", "Median", "RatioSD")]
[DisassemblyDiagnoser(maxDepth: 0)]
public class Tests
{
  private readonly string[] _strings = new string[1];
  [Benchmark]
  public string Get1() => _strings[0];
 
 
  [Benchmark]
  public string Get2() => Volatile.Read(ref _strings[0]);
}
public partial class Program
{
   static void Main(string[] args)
   {
     BenchmarkSwitcher.FromAssembly(typeof(Tests).Assembly).Run(args);
   }
}

我们看到_strings是个私有数组，Get1函数中获取_strings数组的第一个值。所以它是直接用ldelem.ref IL执行即可

ldelem.ref

但是Get2里面对数组元素进行了引用，所以Roslyn的指令是:

ldelema [System.Runtime]System.String

如果ref类型的变量，被赋值为不同于这个变量的类型则会违反类型安全性。通常情况下ldelema需要进行类型检查，也就是用JIT辅助函数CORINFO_HELP_LDELEMA_REF来进行检查，以确保不会违反类型安全性。

这个安全性的检查会极大损耗性能，.NET8的JIT进行了一个优化，思路是如果是sealed关键字标记的类型，就不会进行安全性检查，这样就会提高性能。为什么sealed不会呢？

这其实是利用了它的一个特性，就是不会被继承。不会被继承，就不会被子类的类型所困扰，只有string一个类型，自然不会用以进行类型检查了。

这是第一点优化,下面看下。

3.第一阶优化
优化了类型安全检查，缩短了编译时间，提高了性能。
来看下.Net7和.NET8的生成Get2函数的的不同点

.Net7:

Tests.Get2()
       sub       rsp,28
       mov       rcx,[rcx+8]
       xor       edx,edx
       mov       r8,offset MT_System.String
       call      CORINFO_HELP_LDELEMA_REF
       mov       rax,[rax]
       add       rsp,28
       ret
; Total bytes of code 33

.Net7它这里有一个CORINFO_HELP_LDELEMA_REF进行安全性检查。

.Net8：

; Tests.Get2()
       sub       rsp,28
       mov       rax,[rcx+8]
       cmp       dword ptr [rax+8],0
       jbe       short M00_L00
       mov       rax,[rax+10]
       add       rsp,28
       ret
M00_L00:
       call      CORINFO_HELP_RNGCHKFAIL
       int       3
; Total bytes of code 29

.Net8里它没有了CORINFO_HELP_LDELEMA_REF

因为string类型是sealed,它的原型如下：

public sealed class String : IEnumerable<char>, IEnumerable, ICloneable, IComparable, IComparable<String?>, IConvertible, IEquatable<String?>
{
  //这里代码省略
}

JIT会判断类型是否是sealed标志，如果是则不进行安全性检查优化。

虽然.Net8去掉了CORINFO_HELP_LDELEMA_REF,

但是多了范围的检查CORINFO_HELP_RNGCHKFAIL，那它这个性能如何呢？

我们来测试下：

dotnet run -c Release -f net7.0 --filter "*" --runtimes net7.0 net8.0

结果是:

我们看到同样代码，.Net8里面比.Net7的性能提升了5倍之多。

4.第二阶优化

承接上面，上面sealed去掉了类型检查。

然后在类型转换的时候,一般的类型转换JIT使用的是CastHelpers.ChkCastAny来进行。

但是.Net8里面内联了一个方法

用以缩短CastHelpers.ChkCastAny的编译时间，提高编译的时间和程序的性能。

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System.Runtime.CompilerServices;
 
 
BenchmarkSwitcher.FromAssembly(typeof(Tests).Assembly).Run(args);
 
 
[HideColumns("Error", "StdDev", "Median", "RatioSD")]
public class Tests
{
    private readonly object _o = "hello";
 
 
    [Benchmark]
    public string GetString() => Cast<string>(_o);
 
 
    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
    public T Cast<T>(object o) => (T)o;
}

同样的

dotnet run -c Release -f net7.0 --filter "*" --runtimes net7.0 net8.0

结果如下：

.Net8是三倍于.Net7的运行速度。去掉类型检查+类型转换的内联,大幅度的提升效率，可见.Net8的性能优化确实不容小觑。

参考如下:

https://devblogs.microsoft.com/dotnet/performance-improvements-in-net-8/

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