为什么要把类设置成密封?

前几天笔者提交了关于FasterKvCache的性能优化代码,其中有一个点就是我把一些后续不需要继承的类设置为了sealed密封类,然后就有小伙伴在问,为啥这个地方需要设置成sealedad4eae8cee3248f52b8bb891ab45dc73.png

提交的代码如下所示:5710abcc7d9a67d8fa4ece3075b7ddbe.png

一般业务开发的同学可能接触密封类比较少,密封类除了框架设计约束(不能被继承)以外,还有一个微小的性能提升,不过虽然它是一个微小的优化点,多框架开发的作者都会做这样的优化,如果方法调用的频次很高,那也会带来很大的收益。

笔者最开始是从.NET runtime 中的代码学习到这一个优化技巧,后面有看到meziantou大佬的文章performance-benefits-of-sealed-class[1]完整的学习了一下。

然后本来是想翻译一下这篇文章,找了下发现 Weihan 大佬今年年初翻译了meziantou大佬的文章,质量非常高的中文版,大家可以戳链接看看,既然如此在本文中带大家回顾一下文章中例子,另外从 JIT ASM 的层面分析为什么性能会有提升。

性能优势

虚方法调用

在上面提到的文章例子中,有一个虚方法的调用,大家其实要明白一点,现在面向对象的封装、继承、多态中的多态实现主要就是靠虚方法。

一个类型可能会有子类,子类可能会重写类型的方法从而达到不同的行为(多态),而这些重写的方法都在虚方法表里,调用的话就需要查表。450fc0d87ec3752d9dff8892c8cfd0b3.png

回到文中的代码,大佬构建了一个这样的测试用例:

public class SealedBenchmark
{readonly NonSealedType nonSealedType = new();readonly SealedType sealedType = new();[Benchmark(Baseline = true)]public void NonSealed(){// JIT不能知道nonSealedType的实际类型.// 它可能已经被另一个方法设置为派生类。// 所以,为了安全起见,它必须使用一个虚拟调用。nonSealedType.Method();}[Benchmark]public void Sealed(){// JIT确信sealedType是一个SealedType。 由于该类是密封的。// 它不可能是一个派生类型的实例。// 所以它可以使用直接调用,这样会更快。sealedType.Method();}
}// 基类
internal class BaseType
{public virtual void Method() { }
}// 非密封的派生类
internal class NonSealedType : BaseType
{public override void Method() { }
}// 密封的派生类
internal sealed class SealedType : BaseType
{public override void Method() { }
}

取得的结果就是密封类要比非密封的快 98%。7f08c1139a4ebcb96f99564ebf9946af.png

那么为什么会这样呢?首先我们来比较一下两个方法的 IL 代码,发现是一模一样的,对于方法调用都是用了callvirt(它就是用来调用虚方法的,想了解更多详情可以看这里[2]),因为 instance 是从字段中加载的,编译器无法知道具体的类型,只能使用callvirta37991137f549eaf625a371fb8cfcf76.png

那区别在哪里呢?我们可以看到 JIT 生成后的汇编代码,可以很清楚的看到密封类少了两条指令,因为 JIT 可以从密封类中知道它不可能被继承,也不可能被重写,所以是直接跳转到密封类目标方法执行,而非密封类还有一个查表的过程。而现在很多大佬聊天说 JIT 的"去虚拟化"其实主要就是在 JIT 编译时去除了callvirt调用。430b1e17ca95fd06cc89fadfff83d416.png

另外文中也提到了一段代码,如果 JIT 能确定类型,也是直接调用的:

void NonSealed()
{var instance = new NonSealedType();instance.Method(); // JIT知道`instance`是NonSealedType,因为它是在方法中被创建的,// 从未被修改过,所以它使用直接调用
}void Sealed()
{var instance = new SealedType();instance.Method(); // JIT知道类型是SealedType, 所以直接调用
}

此时两者的汇编代码没有任何区别,都是直接 jmp 到目标方法。b0ecd736961877c63881b9389424effb.png

发现一个有趣的东西,如果我们切到.NET Framework 的 JIT,可以发现.NET Framework 的 JIT 没有.NET 生成的这么高效,没有直接 jmp 到目标方法,而是多了一层 call 和 ret。所以,朋友们还等什么呢?快升级.NET 版本吧。25c0996f1fee51b98e7044d73f709656.png

对象类型转换 (is / as)

同样有下面这样一段代码,测试密封类和非密封类的对象类型转换性能:

public class SealedBenchmark
{readonly BaseType baseType = new();[Benchmark(Baseline = true)]public bool Is_Sealed() => baseType is SealedType;[Benchmark]public bool Is_NonSealed() => baseType is NonSealedType;
}internal class BaseType {}
internal class NonSealedType : BaseType {}
internal sealed class SealedType : BaseType {}

毫无疑问,密封类快 91%。9bb3e251766872d1df892bddd54542d0.png

IL 层面,两个方法都是一模一样:318abc731e0ef6178c472f80c73484e3.png

可以看到密封类的代码相当高效,直接比较一下就转换类型返回了,而非密封类还需要 call 方法走查表流程:2e87bd414875655f8394298b8dc8d5ac.png

数组

.NET 的数组是协变的,协变兼容的话就意味着在添加进入数组时需要检查它的类型,而如果是密封类那就可以删除检查,同样有下面一段代码:

public class SealedBenchmark
{SealedType[] sealedTypeArray = new SealedType[100];NonSealedType[] nonSealedTypeArray = new NonSealedType[100];[Benchmark(Baseline = true)]public void NonSealed(){nonSealedTypeArray[0] = new NonSealedType();}[Benchmark]public void Sealed(){sealedTypeArray[0] = new SealedType();}}internal class BaseType { }
internal class NonSealedType : BaseType { }
internal sealed class SealedType : BaseType { }

密封类的性能要高 14%左右。197904156758006f57c111e0c1a7bed5.png

打开 IL 代码,两者编译出的方法都是一样的,但是跳转到汇编代码可以发现差别,同样的是Stelem.Ref给数组赋值,密封类只是检查了一下数组长度,然后直接赋值,而非密封类还需要调用System.Runtime.CompilerServices.CastHelpers.StelemRef进行检查才能完成赋值。2ea1b8b12a9a905c80815fcb400f1662.png

将数组转换为Span<T>

和数组一样,将数组转换为Span<T>时也需要插入类型检查,有如下测试代码:

public class SealedBenchmark
{SealedType[] sealedTypeArray = new SealedType[100];NonSealedType[] nonSealedTypeArray = new NonSealedType[100];[Benchmark(Baseline = true)]public Span<NonSealedType> NonSealed() => nonSealedTypeArray;[Benchmark]public Span<SealedType> Sealed() => sealedTypeArray;
}public class BaseType {}
public class NonSealedType : BaseType { }
public sealed class SealedType : BaseType { }

密封类的性能要高 50%:77029232c132f41da02291de4d4fabfe.png

同样,这也是 IL 一模一样的,在 JIT 阶段做的优化,可以明显的看到,JIT 为非密封类单独做了类型检查:ac67653e6c0f7544ef7de01db17a66c0.png

总结

笔者在 FasterKvCache 代码中将一些类设置为sealed的原因显而易见:

  • 为了让类的职责更加清晰,在设计中没有计划让它有派生类

  • 为了性能的提升,JIT 优化可以让其方法调用更快

还有更多有趣的东西(比如 IDE 智能提示将类设置为密封,如何使用 dotnet format 集成这些分析),大家可以翻阅原文或者 Weihan 大佬翻译的文章。

  • https://www.meziantou.net/performance-benefits-of-sealed-class.htm

  • https://mp.weixin.qq.com/s/dZlEjOB8jx0ku8eN8AhpzQ

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参考资料

[1]

performance-benefits-of-sealed-class: https://www.meziantou.net/performance-benefits-of-sealed-class.htm

[2]

这里: https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/api/system.reflection.emit.opcodes.callvirt?view=net-7.0

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