C# 8: 可变结构体中的只读实例成员

在之前的文章中我们介绍了 C# 中的只读结构体（readonly struct）^[1] 和与其紧密相关的 in 参数^[2]。
今天我们来讨论一下从 C# 8 开始引入的一个特性：可变结构体中的只读实例成员（当结构体可变时，将不会改变结构体状态的实例成员声明为 readonly）。

引入只读实例成员的原因

简单来说，还是为了提升性能。
我们已经知道了只读结构体（readonly struct）和 in 参数可以通过减少创建副本，来提高代码运行的性能。当我们创建只读结构体类型时，编译器强制所有成员都是只读的（即没有实例成员修改其状态）。但是，在某些场景，比如您有一个现有的 API，具有公开可访问字段或者兼有可变成员和不可变成员。在这种情形下，不能将类型标记为 readonly （因为这关系到所有实例成员）。

通常，这没有太大的影响，但是在使用 in 参数的情况下就例外了。对于非只读结构体的 in 参数，编译器将为每个实例成员的调用创建参数的防御性副本，因为它无法保证此调用不会修改其内部状态。这可能会导致创建大量副本，并且比直接按值传递结构体时的总体性能更差（因为按值传递只会在传参时创建一次副本）。

看一个例子您就明白了，我们定义这样一个一般结构体，然后将其作为 in 参数传递：

public struct Rect
{public float w;public float h;public float Area{get{return w * h;}}
}
public class SampleClass
{public float M(in Rect value){return value.Area + value.Area;}
}

编译后，类 SampleClass 中的方法 M 代码运行逻辑实际上是这样的：

public float M([In] [IsReadOnly] ref Rect value)
{Rect rect = value;  //防御性副本float area = rect.Area;rect = value;       //防御性副本return area + rect.Area;
}

可变结构体中的只读实例成员

我们把上面的可变结构体 Rect 修改一下，添加一个 readonly 方法 GetAreaReadOnly，如下：

public struct Rect
{public float w;public float h;public float Area{get{return w * h;}}public readonly float GetAreaReadOnly(){return Area; //警告	CS8656	从 "readonly" 成员调用非 readonly 成员 "Rect.Area.get" 将产生 "this" 的隐式副本。}
}

此时，代码是可以通过编译的，但是会提示一条这样的的警告：从 "readonly" 成员调用非 readonly 成员 "Rect.Area.get" 将产生 "this" 的隐式副本。
翻译成大白话就是说，我们在只读方法 GetAreaReadOnly 中调用了非只读 Area 属性将会产生 "this" 的防御性副本。用代码演示一下编译后方法 GetAreaReadOnly 的方法体运行逻辑实际上是这样的：

[IsReadOnly]
public float GetAreaReadOnly()
{Rect rect = this; //防御性副本return rect.Area;
}

所以为了避免创建多余的防御性副本而影响性能，我们应该给只读方法体中调用的属性或方法都加上 readonly 修饰符（在本例中，即给属性 Area 加上 readonly 修饰符）。

调用结构体中的只读实例成员

我们将上面的示例再修改一下：

public struct Rect
{public float w;public float h;public readonly float Area{get{return w * h;}}public readonly float GetAreaReadOnly(){return Area;}public float GetArea(){return Area;}
}public class SampleClass
{public static float CallGetArea(Rect vector){return vector.GetArea();}public static float CallGetAreaIn(in Rect vector){return vector.GetArea();}public static float CallGetAreaReadOnly(in Rect vector){//调用可变结构体中的只读实例成员return vector.GetAreaReadOnly();}
}

类 SampleClass 中定义三个方法：

第一个方法是以前我们常见的调用方式;
第二个以 in 参数传入可变结构体，调用非只读方法（可能修改结构体状态的方法）;
第三个以 in 参数传入可变结构体，调用只读方法。

我们来重点看一下第二个和第三个方法有什么区别，还是把它们的 IL 代码逻辑翻译成易懂的执行逻辑，如下所示：

public static float CallGetAreaIn([In] [IsReadOnly] ref Rect vector)
{Rect rect = vector; //防御性副本return rect.GetArea();
}public static float CallGetAreaReadOnly([In] [IsReadOnly] ref Rect vector)
{return vector.GetAreaReadOnly();
}

可以看出，CallGetAreaReadOnly 在调用结构体的（只读）成员方法时，相对于 CallGetAreaIn （调用结构体的非只读成员方法）少创建了一次本地的防御性副本，所以在执行性能上应该是有优势的。

只读实例成员的性能分析

性能的提升在结构体较大的时候比较明显，所以在测试的时候为了能够突出三个方法性能的差异，我在 Rect 结构体中添加了 30 个 decimal 类型的属性，然后在类 SampleClass 中添加了三个测试方法，代码如下所示：

public struct Rect
{public float w;public float h;public readonly float Area{get{return w * h;}}public readonly float GetAreaReadOnly(){return Area;}public float GetArea(){return Area;}public decimal Number1 { get; set; }public decimal Number2 { get; set; }//...public decimal Number30 { get; set; }
}public class SampleClass
{const int loops = 50000000;Rect rectInstance;public SampleClass(){rectInstance = new Rect();}[Benchmark(Baseline = true)]public float DoNormalLoop(){float result = 0F;for (int i = 0; i < loops; i++){result = CallGetArea(rectInstance);}return result;}[Benchmark]public float DoNormalLoopByIn(){float result = 0F;for (int i = 0; i < loops; i++){result = CallGetAreaIn(in rectInstance);}return result;}[Benchmark]public float DoReadOnlyLoopByIn(){float result = 0F;for (int i = 0; i < loops; i++){result = CallGetAreaReadOnly(in rectInstance);}return result;}public static float CallGetArea(Rect vector){return vector.GetArea();}public static float CallGetAreaIn(in Rect vector){return vector.GetArea();}public static float CallGetAreaReadOnly(in Rect vector){return vector.GetAreaReadOnly();}
}

在没有使用 in 参数的方法中，意味着每次调用传入的是变量的一个新副本; 而在使用 in 修饰符的方法中，每次不是传递变量的新副本，而是传递同一副本的只读引用。

DoNormalLoop 方法，参数不加修饰符，传入一般结构体，调用可变结构体的非只读方法，这是以前比较常见的做法。
DoNormalLoopByIn 方法，参数加 in 修饰符，传入一般结构体，调用可变结构体的非只读方法。
DoReadOnlyLoopByIn 方法，参数加 in 修饰符，传入一般结构体，调用可变结构体的只读方法。

使用 BenchmarkDotNet 工具测试三个方法的运行时间，结果如下：

|             Method |    Mean |    Error |   StdDev | Ratio |
|-------------------:|--------:|---------:|---------:|------:|
|       DoNormalLoop | 1.978 s | 0.0140 s | 0.0125 s |  1.00 |
|   DoNormalLoopByIn | 3.363 s | 0.0280 s | 0.0262 s |  1.70 |
| DoReadOnlyLoopByIn | 1.032 s | 0.0200 s | 0.0187 s |  0.52 |

从结果可以看出，当结构体可变时，使用 in 参数调用结构体的只读方法，性能高于其他两种; 使用 in 参数调用可变结构体的非只读方法，运行时间最长，严重影响了性能，应该避免这样调用。