托管对象本质-第三部分-托管数组结构

原文地址：https://devblogs.microsoft.com/premier-developer/managed-object-internals-part-3-the-layout-of-a-managed-array-3/
原文作者：Sergey
译文作者：杰哥很忙

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托管对象本质1-布局
托管对象本质2-对象头布局和锁成本
托管对象本质3-托管数组结构
托管对象本质4-字段布局

数组是每个应用程序的基本构建基块之一。即使你不是每天直接使用数组，你也可以将他们作为库包的一部分间接使用。

C# 一直都有数组结构，数组结构也是唯一一个类似泛型而且类型安全的数据结构。现在你可能没有那么频繁的直接使用他们，但是为了提升性能，都有可能会从一些更高级的数据结构(比如List<T>)切换回数组。

数组和CLR有着非常特殊的关系，但是今天我们将从用户的角度来探讨它们。我们将讨论以下内容：
* 探索一个最奇怪的 C# 功能，称为数组协方差
* 讨论数组的内部结构
* 探索一些性能技巧，我们可以这样做，从数组中挤压更多的性能

数组协方差和一些历史

C# 语言中最奇怪的特征之一是数组协方差：能够将T类型的数组赋值给object类型或任何其他T类型的基类的数组的能力。

string[] strings = new[] { "1", "2" };
object[] objects = strings;

这个转换并完全是类型安全的。如果objects变量仅用于读取数据，那么一切正常。但是，如果尝试修改数组时，如果参数的类型不兼容，则可能会失败。

objects[0] = 42; //运行时错误

关于这个特性，.NET 社区中有一个众所周知的笑话：C# 作者在一开始非常努力地将 Java 生态系统的各个方面复制到 CLR 世界，所以他们也复制了语言设计问题。

但是我并不认为这是原因:)

在 90 年代后期，CLR 并没有泛型，对吗？在这种情况下，语言用户如何编写处理任意数据类型数组的可重用代码？例如，如何编写将任意数组转储到控制台的函数？

一种方法是定义接收object[]的函数，并通过将数组复制到对象数组来强制每个调用方手动转换数组。这是可行的，但效率很低。另一种解决方案是允许从任何引用类型的数组转换为object[]，即保留 Derived[]到 Base[] 的 IS-A 关系，其中派生类从基类继承。在值类型的数组中，转换不起作用，但至少可以实现一些通用性。

第一个 CLR 版本中缺少泛型，迫使设计人员削弱类型系统。但是这个决定（我想）是经过深思熟虑的，而不仅仅是来自Java生态系统的模仿。

内部结构和实现细节

数组协方差在编译时在类型系统中打开一个洞，但这并不意味着类型错误会使应用程序崩溃（C++中的类似”错误”将导致”未定义行为”）。CLR 将确保类型安全，但检查会在运行时进行。为此，CLR 必须存储数组元素的类型，并在用户尝试更改数组实例时进行检查。幸运的是，此检查仅对引用类型的数组是必需的，因为struct是密封的(sealed),因此不支持继承。

译者补充：struct由于是值类型，我们可以查看它的IL语言，可以看到struct前会有sealed关键字。

尽管不同值类型（如 int 到 byte）之间存在隐式转换，但 int[] 和 byte[]之间没有隐式或显式转换。数组协方差转换是引用转换，它不会更改转换对象的布局，并保留要转换对象的引用标识。

在旧版本的 CLR 中，引用数组和值类型具有不同的布局。引用类型的数组具有对每个实例中元素的类型句柄的引用：

这在最新版本的 CLR 中已更改，现在元素类型存储在方法表中：

有关布局的详细信息，请参阅 CoreClr 代码库中的以下代码段：

• ArrayBase::GetArrayElementTypeHandle声明:

// Get the element type for the array, this works whether the element
// type is stored in the array or not
inline TypeHandle GetArrayElementTypeHandle() const;

• PtrArray::GetArrayElementTypeHandle 实现:

TypeHandle GetArrayElementTypeHandle()
{
    LIMITED_METHOD_CONTRACT;
    return GetMethodTable()->GetApproxArrayElementTypeHandle();
}

• Table::GetApproxArrayElementTypeHandle实现:

TypeHandle GetApproxArrayElementTypeHandle()
{
    LIMITED_METHOD_DAC_CONTRACT;
    _ASSERTE(IsArray());
    return TypeHandle::FromTAddr(m_ElementTypeHnd);
}

• MethodTable::m_ElementTypeHnd 声明:

union
{
    PerInstInfo_t m_pPerInstInfo;
    TADDR         m_ElementTypeHnd;
    TADDR         m_pMultipurposeSlot1;
};

我不确定数组布局是什么时候改变的，但似乎在速度和（托管）内存之间有一个权衡。由于内存局部性，初始实现（当类型句柄存储在每个数组实例中时）访问应该更快，但肯定有不可忽略的内存开销。当时，所有引用类型的数组都有共享方法表。但现在情况不一样了：每个引用类型的数组都有自己的方法表，该表指向相同的 EEClass ，指针指向元素类型句柄的指针。

也许CLR团队的人可以解释一下.

我们知道 CLR 如何存储数组的元素类型，现在我们可以探索 CoreClr 代码库，看看实现类型检查。

首先，我们需要找到检查发生的位置。数组是 CLR 的一种非常特殊的类型，IDE 中没有”转到声明”按钮来”反编译”数组并显示源代码。但是我们知道，检查发生在索引器setter中，它与一组IL指令StElem*相对应：
* StElem.i4 用于整型数组
* StElem 用于任意值类型数组
* StElem.ref 用于引用类型数组

了解指令后，我们可以轻松地在代码库中找到实现。据我所知，实现在了jithelpers.cpp中。下面是方法JIT_Stelem_Ref_Portable稍微简化的版本：

/****************************************************************************/
/* assigns 'val to 'array[idx], after doing all the proper checks */

HCIMPL3(void, JIT_Stelem_Ref_Portable, PtrArray* array, unsigned idx, Object *val)
{
    FCALL_CONTRACT;

    if (!array)
    {
        // ST: explicit check that the array is not null
        FCThrowVoid(kNullReferenceException);
    }
    if (idx >= array->GetNumComponents())
    {
        // ST: bounds check
        FCThrowVoid(kIndexOutOfRangeException);
    }

    if (val)
    {
        MethodTable *valMT = val->GetMethodTable();
        // ST: getting type of an array element
        TypeHandle arrayElemTH = array->GetArrayElementTypeHandle();

        // ST: g_pObjectClass is a pointer to EEClass instance of the System.Object
        // ST: if the element is object than the operation is successful.
        if (arrayElemTH != TypeHandle(valMT) && arrayElemTH != TypeHandle(g_pObjectClass))
        {
            // ST: need to check that the value is compatible with the element type
            TypeHandle::CastResult result = ObjIsInstanceOfNoGC(val, arrayElemTH);
            if (result != TypeHandle::CanCast)
            {
                // ST: ArrayStoreCheck throws ArrayTypeMismatchException if the types are incompatible
                if (HCCALL2(ArrayStoreCheck, (Object**)&val, (PtrArray**)&array) != NULL)
                {
                    return;
                }
            }
        }

        HCCALL2(JIT_WriteBarrier, (Object **)&array->m_Array[idx], val);
    }
    else
    {
        // no need to go through write-barrier for NULL
        ClearObjectReference(&array->m_Array[idx]);
    }
}

通过删除类型检查来提高性能

现在我们知道，CLR 确实在底层确保引用类型数组的类型安全。对数组实例的每个”写入”都有一个附加检查，如果数组在热路径上中使用，则该检查不可忽略。但在得出错误的结论之前，让我们先看看这个检查的性能消耗程度。

译者补充：热路径指的是那些会被频繁调用的代码块。

为了避免检查，我们可以更改 CLR，或者使用一个众所周知的技巧：将对象包装到结构中

public struct ObjectWrapper
{
    public readonly object Instance;
    public ObjectWrapper(object instance)
    {
        Instance = instance;
    }
}

比较 object[] 和 ObjectWrapper[]的时间

private const int ArraySize = 100_000;
private object[] _objects = new object[ArraySize];
private ObjectWrapper[] _wrappers = new ObjectWrapper[ArraySize];
private object _objectInstance = new object();
private ObjectWrapper _wrapperInstanace = new ObjectWrapper(new object());

[Benchmark]
public void WithCheck()
{
    for (int i = 0; i < _objects.Length; i++)
    {
        _objects[i] = _objectInstance;
    }
}

[Benchmark]
public void WithoutCheck()
{
    for (int i = 0; i < _objects.Length; i++)
    {
        _wrappers[i] = _wrapperInstanace;
    }
}

结果如下：

不要被”几乎 2 倍”的性能差异所迷惑。即使在最坏的情况下，分配 100K 元素也不到一毫秒。性能表现非常好。但在现实世界中，这种差异是显而易见的。

许多性能关键的 .NET 应用程序使用对象池。池允许重用托管实例，而无需每次都创建新实例。此方法降低了内存压力，并可能对应用程序性能产生非常合理的影响。

可以基于并发数据结构(如[ConcurrentQueue])(http://referencesource.microsoft.com/#mscorlib/system/Collections/Concurrent/ConcurrentQueue.cs,18bcbcbdddbcfdcb)或基于简单数组实现[对象池](http://source.roslyn.io/#Microsoft.CodeAnalysis/ObjectPool%25601.cs,40)。下面是 Roslyn 代码库中对象池实现的代码段：

internal class ObjectPool<T> where T : class
{
    [DebuggerDisplay("{Value,nq}")]
    private struct Element
    {
        internal T Value;
    }

    // Storage for the pool objects. The first item is stored in a dedicated field because we
    // expect to be able to satisfy most requests from it.
    private T _firstItem;
    private readonly Element[] _items;

    // other members ommitted for brievity
}

该实现管理一个缓存项数组，但池化并不是直接使用 T[]，而是将 T 包装到结构元素中，以避免在运行时进行检查。

前段时间，我在应用程序中修复了一个对象池，使得解析阶段的性能提升了的 30%。这不是由于我在这里描述的技巧，是与池的并发访问相关。但关键是，对象池可能位于应用程序的热路径上，甚至像上面提到的小性能改进也可能对整体性能产生明显影响。

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出处：https://www.cnblogs.com/Jack-Blog/p/12266538.html
作者：杰哥很忙
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