深入C#里static readonly的安全性与内存分配[原创]
深入static readonly的安全与内存分配[原创]
问题起源:为了开发帧同步,在写定点数的Vector3
类时,想要仿照Unity的Vector3
给这个类加一些静态的只读字段,比如说Unity里的Vector3.up
等等。
看了Unity源码后,我发现除了Unity的实现方式,还有好几种不同设计的方法(下面会列出)。这就引起了我的好奇心:这些方式有啥区别以及哪个更好,有没有办法再保证安全的情况下提升性能,减少没要的复制?
于是我通过测试与查看IL码(IL码就不贴出来了),做了一个比较(不考虑JIT的优化):
背景
引入一个简化后的例子,作为比较的背景:
public struct Point
{public int x;public int y;public Point(int x, int y){this.x = x;this.y = y;} public void Method() { y += 1; }//此属性会在调用时,复制一份x的值,然后再返回复制的值public int Change => ++x;//1.Unity定义的方式private static readonly Point unity =new Point(1, 1);public static Point Unity => unity;//2.Unity定义的方式去掉了readonlyprivate static Point staticPro =new Point(1, 1);public static Point StaticPro => staticPro;//3.使用static的自动属性public static Point StaticAutoPro => new Point(1, 1);//4.去掉了属性,直接使用static字段public static Point StaticField =new Point(1, 1);//5.使用static+readonly字段public static readonly Point StaticReadonlyField = new Point(1, 1);
}
- 属性
get
可以看成是方法,在get
里已经复制了一份新的值,再return出去。
1. Unity定义的方式
定义:
//1.Unity定义的方式
private static readonly Point unity = new Point(1, 1);
public static Point Unity => unity;
//调用Unity时会复制一份结构体的值,然后再传出去
使用解析(IL):
//这句会在get中就复制一份新的结构体存入栈a1中。(复制了1次)
var a1 = Point.Unity;//这句会在get中就复制一份新的结构体存入栈内存中,然后再把结构体里x的值复制存入栈b1中(复制了2次)
var b1 = Point.Unity.x;//这句会在get中就复制一份新的结构体存入栈内存中,然后通过栈中结构体的Change属性,复制x的值存入栈c1中(复制了2次)
var c1 = Point.Unity.Change;//这句会在get中就复制一份新的结构体存入栈内存中,再调用其函数。(复制了1次)
Point.Unity.Method();
所以从Unity的情况来看,安全性得到了最好的保障:在类外通过属性保护,只要调用它不管怎样都会复制一份出去操作,不会被篡改。但是这样子当然会损失性能(虽然我看来其实几乎没有,因为用的很少),但也许会有安全和性能兼顾的办法。
在类里是readonly,也有一定的保护作用。除了读取字段不用复制,读取属性/方法也会复制一份(具体可以看深入解析C#里的只读类型的隐式复制)。
2. Unity定义的方式去掉了readonly,也就是static的一个属性
定义:
//2.Unity定义的方式去掉了readonly
private static Point staticPro = new Point(1, 1);
public static Point StaticPro => staticPro;
//调用Unity时会复制一份结构体的值,然后再传出去
使用解析(IL):
//其实在类外使用的情况下,和第一种是一样的,毕竟只是去掉了readonly。
//在类里面使用才会有区别:在类里面修改,调用属性方法等都可能会造成他本身的修改。
所以安全性不如第一种,在类外使用也没有什么性能提升,按我的代码需求感觉是还不如第一种。
3. 使用static的自动属性
定义:
//3.使用static的自动属性
public static Point StaticAutoPro => new Point(1, 1);
//调用Unity时会新建一份结构体的值,然后再传出去
使用解析(IL):
//在get中创建一份结构体存入栈a3中。(创建1次)
var a3 = Point.StaticAutoPro;//在get中创建一份结构体存入栈中,然后再把结构体里x的值复制存入栈b3中(创建1次,复制1次)
var b3 = Point.StaticAutoPro.x;//在get中创建一份结构体存入栈中,然后通过栈中结构体的Change属性,复制x的值存入栈c3中(创建1次,复制1次)
var c3 = Point.StaticAutoPro.Change;//在get中创建一份结构体存入栈中,再调用其函数。(复制了1次)
Point.StaticAutoPro.Method();
这个跟第2种的区别在于:无论是类外还是类里,都会创建一个新的值传出去,而不是复制值。
这种安全性其实可以保证,因为每次都是创建一个新的值(性能应该差别不大),唯一有一点小区别是在类里读的话也要创建一个新的,这个开销其实没必要,但是在类里读的情况也几乎不会发生。
4.去掉了属性,直接使用static字段
定义:
//4.去掉了属性保护,直接使用static字段
public static Point StaticField =new Point(1, 1);
使用解析(IL):
//从字段复制一份结构体存入栈a4中。(复制1次)
var a4 = Point.StaticField;//会将原字段地址加载进栈内存中,然后再把原字段里x的值复制存入栈b4中(复制1次)
var b4 = Point.StaticField.x;//会将原字段地址加载进栈内存中,然后通过原字段的Change属性,复制x的值存入栈c4中(复制1次)
var c4 = Point.StaticField.Change;//会将原字段地址加载进栈内存中,然后直接调用(0复制)
Point.StaticField.Method();
这一种性能会好很多,但是几乎没有安全性可言,类里类外都可以任意的访问修改。即使我的代码里不会去修改,但也不能将其这样设计。
5.使用static+readonly字段
定义:
//5.使用static+readonly字段
public static readonly Point StaticReadonlyField = new Point(1, 1);
使用解析(IL):
//会复制一份新的结构体存入栈a5中。(复制了1次)
var a5 = Point.StaticReadonlyField;//会将原字段地址加载进栈内存中,然后再把原字段里x的值复制存入栈b5中(复制1次)
var b5 = Point.StaticReadonlyField.x;//会复制一份新的结构体存入栈内存中,然后通过栈中结构体的Change属性,复制x的值存入栈c5中(复制了2次)
var c5 = Point.StaticReadonlyField.Change;//会复制一份新的结构体存入栈内存中,再调用其函数。(复制了1次)
Point.StaticReadonlyField.Method();
虽然没有属性的保护,但它有readonly的保护:在类外或类里调用属性/方法时,都会复制一次,但在读取变量时不会复制。这样子在性能上有了提升,安全性也得到了一定的保障。
其实跟第一种(Unity)比起来,唯一的区别是:这一种在读变量时会提高性能不复制,但是也不能修改变量,我的需求(Vector3.up
)肯定是不会修改的,所以最后我选择了这一种方式。
创作:Hyu
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