C# 泛型編譯特性對性能的影響

C#作爲一種強類型語言，具有豐富的泛型支持，允許開發者編寫可以應對不同數據類型的通用代碼。然而，在泛型編譯時，針對結構和類作爲泛型參數時，會對性能產生不同的影響。

泛型編譯行爲

在C#中，泛型編譯行爲取決於泛型參數的類型。具體而言，當泛型參數是結構（Struct）時，編譯器會針對每個具體的結構類型生成特定的實現。而當泛型參數是類（Class）時，編譯器則可能生成更通用的實現。

結構 vs 類

結構（Struct）

結構是值類型，它們存儲在棧上，具有較小的內存開銷。當泛型參數是結構時，編譯器會針對每個具體的結構類型生成專門的實現，這可能導致更高的性能。因爲每個結構類型都有自己的實現，避免了裝箱和拆箱的開銷，同時優化了內存分配和訪問。

類（Class）

類是引用類型，存儲在堆上，需要通過引用進行訪問。當泛型參數是類時，編譯器可能生成更通用的實現。這可能導致較低的性能，因爲通用實現需要進行動態調度和引用類型的操作，增加了一些開銷。

測試性能差異

針對不同的泛型參數進行性能測試是一種有效的方法，以觀察結構和類對泛型編譯特性的影響。在測試中，可能會發現對結構類型的泛型參數，其性能可能更高，而對類類型的泛型參數，其性能可能略低。

using System.Diagnostics;

namespace ConsoleApp1 {
    internal interface IValueGetter {
        int GetValue(int index);
    }

    internal class MyTestClass<T> where T : IValueGetter {
        private readonly T _valueGetter;

        public MyTestClass(T valueGetter) {
            _valueGetter = valueGetter;
        }

        public void Run() {
            long r = 0L;
            for (int i = 0; i < int.MaxValue; i++) {
                r += _valueGetter.GetValue(i);
            }
        }
    }

    internal struct StructValueGetter : IValueGetter {
        public readonly int GetValue(int index) {
            return index + 3;
        }
    }

    internal struct StructValueGetter2(int someField) : IValueGetter {
        public readonly int GetValue(int index) {
            return index + 5;
        }
    }

    internal class ClassValueGetter1 : IValueGetter {
        public int GetValue(int index) {
            return index + 5;
        }
    }

    internal class ClassValueGetter2 : IValueGetter {
        public int GetValue(int index) {
            return index + 7;
        }
    }

    internal static class Demo2 {
        public static  void Run() {
            var t1 = new MyTestClass<StructValueGetter>(new StructValueGetter());
            RunDemo("StructValueGetter ", t1.Run);
            var t2 = new MyTestClass<ClassValueGetter1>(new ClassValueGetter1());
            RunDemo("ClassValueGetter1 ", t2.Run);
            var t3 = new MyTestClass<ClassValueGetter2>(new ClassValueGetter2());
            RunDemo("ClassValueGetter2 ", t3.Run);
            var t4 = new MyTestClass<IValueGetter>(new ClassValueGetter1());
            RunDemo("IValueGetter-1    ", t4.Run);


            var t5 = new MyTestClass<ClassValueGetter1>(new ClassValueGetter1());
            RunDemo("ClassValueGetter1 ", t5.Run);
            var t6 = new MyTestClass<StructValueGetter2>(new StructValueGetter2());
            RunDemo("StructValueGetter2", t6.Run);
            var t7 = new MyTestClass<IValueGetter>(new ClassValueGetter2());
            RunDemo("IValueGetter-2    ", t7.Run);
            var t8 = new MyTestClass<IValueGetter>(new StructValueGetter());
            RunDemo("IValueGetter-3    ", t8.Run);

            var t9 = Activator.CreateInstance(typeof(MyTestClass<>).MakeGenericType(typeof(StructValueGetter)), new StructValueGetter());
            Action action9 = (Action)Delegate.CreateDelegate(typeof(Action), t9, t9.GetType().GetMethod("Run"));
            RunDemo("Dynamic-Struct    ", action9);

        }

        static void RunDemo(string caption, Action action) {
            var stopWatch = Stopwatch.StartNew();
            action();
            stopWatch.Stop();
            Console.WriteLine($"{caption} time = {stopWatch.Elapsed}");
        }
    }
}

Demo2.Run();

在.net 8.0 Release 編譯執行的參考結果如下：

StructValueGetter  time = 00:00:00.6920186
ClassValueGetter1  time = 00:00:01.1887137
ClassValueGetter2  time = 00:00:05.2889692
IValueGetter-1     time = 00:00:01.1652195
ClassValueGetter1  time = 00:00:01.1625259
StructValueGetter2 time = 00:00:00.6488674
IValueGetter-2     time = 00:00:05.2114724
IValueGetter-3     time = 00:00:07.1394676
Dynamic-Struct     time = 00:00:00.6491220

結論

泛型編譯特性對性能有所影響，我們發現：

• 泛型參數是 Struct 比 class 的性能要好，大約有兩倍的差異；
• 泛型參數如果存在多個 Struct 可能時，性能沒有影響，但如果泛型參數存在多個 class 可能時，性能急劇下降5倍之多；
• 泛型參數如果是接口形式，無論實際填充的結構還是類，其最終的執行性能一定是很慢的；
• 使用反射（例如：MakeGenericType）構建出的泛型實例，其實際運行性能並不受影響，非常適合高度定製的運行時類型構建，這一點非常重要，例如你可以在運行時檢測實際情況，構建出不同的比較器對象，雖然構建的工廠方法返回的是接口，但你可以使用反射的方式動態傳入字典的比較器參數（實際上c#的 Dictionary<TKey, TValue> 這點設計是失敗的，他的comparer不是一個泛型參數，而是接口）；

綜上所述，瞭解C#泛型編譯特性對性能的影響是編寫高性能代碼的重要一部分，合理使用對於關鍵性代碼性能至關重要。