方法的直接调用，反射调用与……Lambda表达式调用
2008-11-24 09:59 by 老赵, 35277 visits想调用一个方法很容易，直接代码调用就行，这人人都会。其次呢，还可以使用反射。不过通过反射调用的性能会远远低于直接调用——至少从绝对时间上来看的确是这样。虽然这是个众所周知的现象，我们还是来写个程序来验证一下。比如我们现在新建一个Console应用程序，编写一个最简单的Call方法。
class Program { static void Main(string[] args) { } public void Call(object o1, object o2, object o3) { } }
Call方法接受三个object参数却没有任何实现，这样我们就可以让测试专注于方法调用，而并非方法实现本身。于是我们开始编写测试代码，比较一下方法的直接调用与反射调用的性能差距：
static void Main(string[] args) { int times = 1000000; Program program = new Program(); object[] parameters = new object[] { new object(), new object(), new object() }; program.Call(null, null, null); // force JIT-compile Stopwatch watch1 = new Stopwatch(); watch1.Start(); for (int i = 0; i < times; i++) { program.Call(parameters[0], parameters[1], parameters[2]); } watch1.Stop(); Console.WriteLine(watch1.Elapsed + " (Directly invoke)"); MethodInfo methodInfo = typeof(Program).GetMethod("Call"); Stopwatch watch2 = new Stopwatch(); watch2.Start(); for (int i = 0; i < times; i++) { methodInfo.Invoke(program, parameters); } watch2.Stop(); Console.WriteLine(watch2.Elapsed + " (Reflection invoke)"); Console.WriteLine("Press any key to continue..."); Console.ReadKey(); }
执行结果如下：
00:00:00.0119041 (Directly invoke) 00:00:04.5527141 (Reflection invoke) Press any key to continue...
通过各调用一百万次所花时间来看，两者在性能上具有数量级的差距。因此，很多框架在必须利用到反射的场景中，都会设法使用一些较高级的替代方案来改善性能。例如，使用CodeDom生成代码并动态编译，或者使用Emit来直接编写IL。不过自从.NET 3.5发布了Expression相关的新特性，我们在以上的情况下又有了更方便并直观的解决方案。
了解Expression相关特性的朋友可能知道，System.Linq.Expressions.Expression<TDelegate>类型的对象在调用了它了Compile方法之后将得到一个TDelegate类型的委托对象，而调用一个委托对象与直接调用一个方法的性能开销相差无几。那么对于上面的情况，我们又该得到什么样的Delegate对象呢？为了使解决方案足够通用，我们必须将各种签名的方法统一至同样的委托类型中，如下：
public Func<object, object[], object> GetVoidDelegate() { Expression<Action<object, object[]>> exp = (instance, parameters) => ((Program)instance).Call(parameters[0], parameters[1], parameters[2]); Action<object, object[]> action = exp.Compile(); return (instance, parameters) => { action(instance, parameters); return null; }; }
如上，我们就得到了一个Func<object, object[], object>类型的委托，这意味它接受一个object类型与object[]类型的参数，以及返回一个object类型的结果——等等，朋友们有没有发现，这个签名与MethodInfo类型的Invoke方法完全一致？不过可喜可贺的是，我们现在调用这个委托的性能远高于通过反射来调用了。那么对于有返回值的方法呢？那构造一个委托对象就更方便了：
public int Call(object o1, object o2) { return 0; } public Func<object, object[], object> GetDelegate() { Expression<Func<object, object[], object>> exp = (instance, parameters) => ((Program)instance).Call(parameters[0], parameters[1]); return exp.Compile(); }
至此，我想朋友们也已经能够轻松得出调用静态方法的委托构造方式了。可见，这个解决方案的关键在于构造一个合适的Expression<TDelegate>，那么我们现在就来编写一个DynamicExecuter类来作为一个较为完整的解决方案：
public class DynamicMethodExecutor { private Func<object, object[], object> m_execute; public DynamicMethodExecutor(MethodInfo methodInfo) { this.m_execute = this.GetExecuteDelegate(methodInfo); } public object Execute(object instance, object[] parameters) { return this.m_execute(instance, parameters); } private Func<object, object[], object> GetExecuteDelegate(MethodInfo methodInfo) { // parameters to execute ParameterExpression instanceParameter = Expression.Parameter(typeof(object), "instance"); ParameterExpression parametersParameter = Expression.Parameter(typeof(object[]), "parameters"); // build parameter list List<Expression> parameterExpressions = new List<Expression>(); ParameterInfo[] paramInfos = methodInfo.GetParameters(); for (int i = 0; i < paramInfos.Length; i++) { // (Ti)parameters[i] BinaryExpression valueObj = Expression.ArrayIndex( parametersParameter, Expression.Constant(i)); UnaryExpression valueCast = Expression.Convert( valueObj, paramInfos[i].ParameterType); parameterExpressions.Add(valueCast); } // non-instance for static method, or ((TInstance)instance) Expression instanceCast = methodInfo.IsStatic ? null : Expression.Convert(instanceParameter, methodInfo.ReflectedType); // static invoke or ((TInstance)instance).Method MethodCallExpression methodCall = Expression.Call( instanceCast, methodInfo, parameterExpressions); // ((TInstance)instance).Method((T0)parameters[0], (T1)parameters[1], ...) if (methodCall.Type == typeof(void)) { Expression<Action<object, object[]>> lambda = Expression.Lambda<Action<object, object[]>>( methodCall, instanceParameter, parametersParameter); Action<object, object[]> execute = lambda.Compile(); return (instance, parameters) => { execute(instance, parameters); return null; }; } else { UnaryExpression castMethodCall = Expression.Convert( methodCall, typeof(object)); Expression<Func<object, object[], object>> lambda = Expression.Lambda<Func<object, object[], object>>( castMethodCall, instanceParameter, parametersParameter); return lambda.Compile(); } } }
DynamicMethodExecutor的关键就在于GetExecuteDelegate方法中构造Expression Tree的逻辑。如果您对于一个Expression Tree的结构不太了解的话，不妨尝试一下使用Expression Tree Visualizer来对一个现成的Expression Tree进行观察和分析。我们将一个MethodInfo对象传入DynamicMethodExecutor的构造函数之后，就能将各组不同的实例对象和参数对象数组传入Execute进行执行。这一切就像使用反射来进行调用一般，不过它的性能就有了明显的提高。例如我们添加更多的测试代码：
DynamicMethodExecutor executor = new DynamicMethodExecutor(methodInfo); Stopwatch watch3 = new Stopwatch(); watch3.Start(); for (int i = 0; i < times; i++) { executor.Execute(program, parameters); } watch3.Stop(); Console.WriteLine(watch3.Elapsed + " (Dynamic executor)");
现在的执行结果则是：
00:00:00.0125539 (Directly invoke) 00:00:04.5349626 (Reflection invoke) 00:00:00.0322555 (Dynamic executor) Press any key to continue...
事实上，Expression<TDelegate>类型的Compile方法正是使用Emit来生成委托对象。不过现在我们已经无需将目光放在更低端的IL上，只要使用高端的API来进行Expression Tree的构造，这无疑是一种进步。不过这种方法也有一定局限性，例如我们只能对公有方法进行调用，并且包含out/ref参数的方法，或者除了方法外的其他类型成员，我们就无法如上例般惬意地编写代码了。
补充
木野狐兄在评论中引用了Code Project的文章《A General Fast Method Invoker》，其中通过Emit构建了FastInvokeHandler委托对象（其签名与Func<object, object[], object>完全相同）的调用效率似乎较“方法直接”调用的性能更高（虽然从原文示例看来并非如此）。事实上FastInvokeHandler其内部实现与DynamicMethodExecutor完全相同，居然有如此令人不可思议的表现实在让人啧啧称奇。我猜测，FastInvokeHandler与DynamicMethodExecutor的性能优势可能体现在以下几个方面：
- 范型委托类型的执行性能较非范型委托类型略低（求证）。
- 多了一次Execute方法调用，损失部分性能。
- 生成的IL代码更为短小紧凑。
- 木野狐兄没有使用Release模式编译。:P
不知道是否有对此感兴趣的朋友能够再做一个测试，不过请注意此类性能测试一定需要在Release编译下进行（这点很容易被忽视），否则意义其实不大。
此外，我还想强调的就是，本篇文章进行是纯技术上的比较，并非在引导大家追求点滴性能上的优化。有时候看到一些关于比较for或foreach性能优劣的文章让许多朋友都纠结与此，甚至搞得面红耳赤，我总会觉得有些无可奈何。其实从理论上来说，提高性能的方式有许许多多，记得当时在大学里学习Introduction to Computer System这门课时得一个作业就是为一段C程序作性能优化，当时用到不少手段，例如内联方法调用以减少CPU指令调用次数、调整循环嵌套顺序以提高CPU缓存命中率，将一些代码使用内嵌ASM替换等等，可谓“无所不用其极”，大家都在为几个时钟周期的性能提高而发奋图强欢呼雀跃……
那是理论，是在学习。但是在实际运用中，我们还必须正确对待学到的理论知识。我经常说的一句话是：“任何应用程序都会有其性能瓶颈，只有从性能瓶颈着手才能做到事半功倍的结果。”例如，普通Web应用的性能瓶颈往往在外部IO（尤其是数据库读写），要真正提高性能必须从此入手（例如数据库调优，更好的缓存设计）。正因如此，开发一个高性能的Web应用程序的关键不会在语言或语言运行环境上，.NET、RoR、PHP、Java等等在这一领域都表现良好。
好久没写文章了……