为什么.NET的反射这么慢？

大家都知道 .NET 的反射很慢，但是为什么会出现这种情况呢？这篇文章会带你寻找这个问题的真正原因。

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CLR 类型系统的设计目标

原因之一是，在设计的时候反射本身就不是以高性能为目标的，可以参考Type System Overview – ‘Design Goals and Non-goals’(类型系统概览 – ‘设计目标和非目标’)：

目标

  • 运行时通过快速执行(非反射)代码访问需要的信息。
  • 编译时直接访问所需要的信息来生成代码。
  • 垃圾回收/遍历栈可以访问需要信息而不需要锁或分配内存。
  • 一次只加载最少量的类型。
  • 类型加载时只加载最少需要加载的类型。
  • 类型系统的数据结构必须在 NGEN 映像中保存。

非目标

  • 元数据的所有信息能直接反射 CLR 数据结构。
  • 快速使用反射。

参阅出处相同的 Type Loader Design – ‘Key Data Structures’(类型加载器设计 – ‘关键数据结构’):

EEClass

MethodTable(方法表)数据分为“热”和“冷”两种结构，以提高工作集和缓存的利用率。MethodTable 本身只存储程序稳定状态的“热”数据。EEClass 存储“冷”数据，它们通常是类型加载、JITing或反射所需要的。每个 MethodTable 指向一个 EEClass。

反射是如何工作的？

我们已经知道反射本身就不是以快为目标来设计的，但是它为什么需要那么多时间呢？

为了说明这个问题，来看看反射调用过程中，托管代码和非托管代码的调用栈。

  • System.Reflection.RuntimeMethodInfo.Invoke(..) - 源码链接
    • 调用 System.Reflection.RuntimeMethodInfo.UnsafeInvokeInternal(..)
  • System.RuntimeMethodHandle.PerformSecurityCheck(..) - 链接
    • 调用 System.GC.KeepAlive(..)
  • System.Reflection.RuntimeMethodInfo.UnsafeInvokeInternal(..) - 链接
    • 调用 System.RuntimeMethodHandle.InvokeMethod(..) 的存根
  • System.RuntimeMethodHandle.InvokeMethod(..) 的存根 - 链接

即使不点击链接，想必你也能直观感受到改方法执行的大量代码。参考示例：System.RuntimeMethodHandle.InvokeMethodis 超过 400 行代码！

那么，它具体在做什么？

获取方法信息

要使用反射来调用字段/属性/方法，你必须获得 FieldInfo/PropertyInfo/MethodInfo，使用这样的代码：

Type t = typeof(Person);      
FieldInfo m = t.GetField("Name");

这需要一定的成本，因为需要提取相关的元数据，并对其进行解析。运行时会帮我们维持一个内部缓存，缓存着所有字段/属性/方法。这个缓存由 RuntimeTypeCache 类实现，用法示例在 RuntimeMethodInfo 类中.

运行 gist 中的代码你可以看到缓存的何运作方式，它恰如其分地使用反射检查运行时内部！

gist 上的代码会在你使用反射获得 FieldInfo 之前输出下列内容：

Type: ReflectionOverhead.Program
Reflection Type: System.RuntimeType (BaseType: System.Reflection.TypeInfo)
m_fieldInfoCache is null, cache has not been initialised yet

不过一旦你获得字段，就会输出：

Type: ReflectionOverhead.Program
Reflection Type: System.RuntimeType (BaseType: System.Reflection.TypeInfo)
RuntimeTypeCache: System.RuntimeType+RuntimeTypeCache, 
m_cacheComplete = True, 4 items in cache
  [0] - Int32 TestField1 - Private
  [1] - System.String TestField2 - Private
  [2] - Int32 k__BackingField - Private
  [3] - System.String TestField3 - Private, Static

ReflectionOverhead.Program 看起来像这样：

class Program
{
    private int TestField1;
    private string TestField2;
    private static string TestField3;

    private int TestProperty1 { get; set; }
}

看来运行时会筛选已经创建过的东西，这意味着调用 GetFeild 或 GetFields 不需要多大代价。对于 GetMethod 和 GetProperty 来说也是如此，MethodInfo 或 PropertyInfo 会在你***次调用的时候创建并缓存起来。

参数校验和错误处理

得到 MethodInfo 之后，如果调用它的 Invoke 方法，会要处理很多事项。假设编写代码如下：

PropertyInfo stringLengthField = 
    typeof(string).GetProperty("Length", 
        BindingFlags.Instance | BindingFlags.Public);
var length = stringLengthField.GetGetMethod().Invoke(new Uri(), new object[0]);

如果运行上述代码，会得到下面的异常：

System.Reflection.TargetException: Object does not match target type.
   at System.Reflection.RuntimeMethodInfo.CheckConsistency(..)
   at System.Reflection.RuntimeMethodInfo.InvokeArgumentsCheck(..)
   at System.Reflection.RuntimeMethodInfo.Invoke(..)
   at System.Reflection.RuntimePropertyInfo.GetValue(..)

这是因为我们获得了 String 类 Length 属性的 PropertyInfo，但是却在 Uri 对象上调用它，显然，这是个错误的类型！

此外，你还必须在调用方法时对传递给方法的参数进行校验。为了能传递参数，反射 API 使用了一个 object 的数组作为参数，其中每一个元素表示一个参数。所以，如果你使用反射来调用 Add(int x, int y) 方法，你得调用 methodInfo.Invoke(.., new [] { 5, 6 })。运行时会对传入参数的数量和类型进行检查，在这个示例中你要确保是 2 个 int 类型的参数。这些工作不好的地方是常常需要装箱，这会增加额外的成本。希望这在将来会降到***。

安全性检查

另一个主要任务是多重安全性检查。例如，你不允许使用反射来任意调用你想调用的方法。这里存在一些限制的或 ‘危险方法’，只能由可信度高的 .NET 框架代码调用。除了黑名单外，还有动态安全检查，它由调用时必须检查的的当前代码访问安全权限决定。

反射机制耗时多少？

了解反射的实际操作后，我们来看看实际耗时。请注意，这些基准测试是通过反射直接比较读/写属性来完成的。在 .NET 中属性是一对 Get/Set 方法，这是由编译器生成的，但当属性只包含一个简单的内嵌字段时，.NET JIT 会使用内联 Get/Set 方法以提升性能。这意味着使用反射访问属性可能会遇到反射性能最差的情况，但它会被选择是因为这是最常见的用例，数据位于 ORMs, Json 序列化/反序列化库和对象映射工具中。

以下是由 BenchmarkDotNet 提供的原始结果，后面是在2个单独的表中显示的相同结果。 （全部Benchmark代码由此下载 ）

读取属性值(‘Get’)

写属性值(‘Set’)

我们可以清楚地看到，正常的反射代码（GetViaReflection/SetViaReflection）比直接访问属性（GetViaProperty/SetViaProperty）要慢得多。 其他结果，我们还要进一步分析。

设置

首先我们从 aTestClass 开始，代码如下：

public class TestClass
{
    public TestClass(String data)     {
        Data = data;
    }

    private string data;
    private string Data
    {
        get { return data; }
        set { data = value; }
    }
}

 以及下面的通用代码，这里包含了所有可用的选项：

// Setup code, done only once 
TestClass testClass = new TestClass("A String");
Type @class = testClass.GetType();
BindingFlag bindingFlags = BindingFlags.Instance | 
                           BindingFlags.NonPublic | 
                           BindingFlags.Public;

正常的反射

首先我们使用常规基准代码来表示我们的起始情况和“最坏情况”：

[Benchmark]public string GetViaReflection() {
    PropertyInfo property = @class.GetProperty("Data", bindingFlags);
    return (string)property.GetValue(testClass, null);
}

选择1 – 缓存 PropertyInfo

接下来，我们通过保存引用至 PropertyInfo 以获得速度上的少量提升，而不是每次都去获取。但即使这样，与直接访问属性相比，也仍然慢得多，这就表明在反射的“调用”部分成本很高。

// Setup code, done only once
PropertyInfo cachedPropertyInfo = @class.GetProperty("Data", bindingFlags);

[Benchmark]
public string GetViaReflection() {    
    return (string)cachedPropertyInfo.GetValue(testClass, null);
}

选择2 – 使用 FastMember

这里使用了 Marc Gravell 优秀的 Fast Member 库，这个库用起来很简单！

// Setup code, done only once
TypeAccessor accessor = TypeAccessor.Create(@class, allowNonPublicAccessors: true);

[Benchmark]
public string GetViaFastMember() {
    return (string)accessor[testClass, "Data"];
}

注意，与其他选择稍有不同，它创建了一个 TypeAccessor 来访问类型中的所有属性，而不仅是某一个。这带来的负面影响是会导致运行时间变长，因为它在内部首先要为你请求的属性(这个例子中是‘Data’)创建委托，然后再获取其值。不过这种开销是很小的，FastMember 仍然比其它反射方法更快，也更易用。所以我建议你先去看看。

这个选择及随后的选择将反射代码转换委托，这样就可以直接调用而不再需要每次都进行反射，速度因此得到提升！

必须指出创建一个委托需要一定的成本（可以从 ‘相关阅读’ 了解更多）。总之，速度提升是因为我们在其中进行过一次大投入（安全检查等）并保存了一个强类型的委托，之后我们只要稍微付出一点就可以一次次调用。如果反射只进行一次，那你大可不必使用这些技术。但是如果你只进行一次反射操作，它也不会出现性能瓶颈，你就完全不用在乎它会变慢！

通过委托读某个属性仍然不如直接访问来得快，因为 .NET JIT 不会将对委托方法的调用进行内联优化，而直接访问属性则会。因此即使使用委托，我们也需要为调用方法付出成本，而直接访问属性就不会。

选项3——创建代理（Delegate）

在这个选项中，我们使用 CreateDelegate 函数来将 PropertyInfo 转换为常规的 delegate：

// Setup code, done only once
PropertyInfo property = @class.GetProperty("Data", bindingFlags);
Func getDelegate = 
    (Func)Delegate.CreateDelegate(
             typeof(Func), 
             property.GetGetMethod(nonPublic: true));

[Benchmark]
public string GetViaDelegate() {
    return getDelegate(testClass);
}

它的缺点是你必须知道编译时的具体类型，也就是上面的代码中的 Func 部分（如果使用 Func，编译器会抛出一个异常！）。不过，在大多数情况下，使用反射不会遇到这么多麻烦。

有效避免麻烦，请参阅 MagicMethodHelper 代码（在 Jon Skeet 发布的“Making Reflection fly and exploring delegates“博客中），或阅读下面的选项 4 或 5。

选项4——编译表达式树（Compiled Expression Trees）

这里我们生成一个 delegate，但不同的是我们可以传入一个 object，所以我们会看到“选项4”的限制。我们使用支持动态代码生成的 .NET Expression tree API：

// Setup code, done only once
PropertyInfo property = @class.GetProperty("Data", bindingFlags);
ParameterExpression = Expression.Parameter(typeof(object), "instance");
UnaryExpression instanceCast = 
    !property.DeclaringType.IsValueType ? 
        Expression.TypeAs(instance, property.DeclaringType) : 
        Expression.Convert(instance, property.DeclaringType);
Func GetDelegate = 
    Expression.Lambda>(
        Expression.TypeAs(
            Expression.Call(instanceCast, property.GetGetMethod(nonPublic: true)),
            typeof(object)), 
        instance)
    .Compile();

[Benchmark]
public string GetViaCompiledExpressionTrees() {
    return (string)GetDelegate(testClass);
}

关于 Expression 的全部代码可以从“Faster Reflection using Expression Trees（使用表达式树的快速反射机制）“博客下载。

选项 5——IL Emit 动态代码生成

***，虽然“权力越大，责任越大”，但这里我们还是使用***层的方法调用原始 IL，：

// Setup code, done only once
PropertyInfo property = @class.GetProperty("Data", bindingFlags);
Sigil.Emit getterEmiter = Emit>
    .NewDynamicMethod("GetTestClassDataProperty")
    .LoadArgument(0)
    .CastClass(@class)
    .Call(property.GetGetMethod(nonPublic: true))
    .Return();
Func getter = getterEmiter.CreateDelegate();

[Benchmark]
public string GetViaILEmit() {
    return getter(testClass);
}

使用 Expression tress（如选项 4 中所说），并没有给出像直接调用 IL 代码那么多的灵活性，尽管它确实能防止你调用无效代码！ 考虑到这一点，如果你发现自己确实需要 emit IL，我强烈推荐你使用性能卓越的 Sigil 库，因为它能在出错时提供更好的错误提示消息！

小结

如果（也只是如果）你发现自己在使用反射的时候有性能问题，有一些办法可以让它变得更快。获得这些速度提升是因为委托带来的对属性/字段/方法进行直接访问，这避免了每次进行反射的开销。

请在 /r/programming 和 /r/csharp 参考讨论这篇文章

网站题目：为什么.NET的反射这么慢？
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