.NET Core 泛型底层原理浅谈
简介
泛型参考资料烂大街，基本资料不再赘述，比如泛型接口/委托/方法的使用，逆变与协变。
泛型好处有如下几点
- 代码重用
算法重用，只需要预先定义好算法，排序，搜索，交换，比较等。任何类型都可以用同一套逻辑 - 类型安全
编译器保证不会将int传给string - 简单清晰
减少了类型转换代码 - 性能更强
减少装箱/拆箱，泛型算法更优异。
为什么说泛型性能更强？
主要在于装箱带来的托管堆分配问题以及性能损失
- 值类型装箱会额外占用内存
var a = new List<int>()
{
1,2, 3, 4
};
var b = new ArrayList()
{
1,2,3,4
};
变量a:72kb
变量b:184kb
- 装箱/拆箱会消耗额外的CPU
public void ArrayTest()
{
Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
stopwatch.Start();
ArrayList arrayList = new ArrayList();
for (int i = 0; i < 10000000; i++)
{
arrayList.Add(i);
_ = (int)arrayList[i];
}
stopwatch.Stop();
Console.WriteLine($"array time is {stopwatch.ElapsedMilliseconds}");
}
public void ListTest()
{
Stopwatch stopwatch = Stopwatch.StartNew();
stopwatch.Start();
List<int> list = new List<int>();
for (int i = 0; i < 10000000; i++)
{
list.Add(i);
_ = list[i];
}
stopwatch.Stop();
Console.WriteLine($"list time is {stopwatch.ElapsedMilliseconds}");
}
如此巨大的差异，无疑会造成GC的管理成本增加以及额外的CPU消耗。
思考一个问题，如果是引用类型的实参。差距还会如此之大吗？
如果差距不大，那我们使用泛型的理由又是什么呢？
开放/封闭类型
CLR中有多种
类型对象
,比如引用类型，值类型，接口类型和委托类型，以及泛型类型。
根据创建行为，他们又被分为
开放类型/封闭类型
为什么要说到这个？ 泛型的一个有优点就是代码复用，只要定义好算法。剩下的只要往里填就好了。比如List<>开放给任意实参，大家都可以复用同一套算法。
举个例子
- 开放类型是指类型参数尚未被指定,他们不能被实例化 List<>,Dictionary<,>,interface 。它们只是搭建好了基础框架，开放不同的实参
Type it = typeof(ITest);
Activator.CreateInstance(it);//创建失败
Type di = typeof(Dictionary<,>);
Activator.CreateInstance(di);//创建失败
- 封闭类型是指类型已经被指定,是可以被实例化 List<string
>,String 就是封闭类型。它们只接受特定含义的实参
Type li = typeof(List<string>);
Activator.CreateInstance(li);//创建成功
代码爆炸
所以当我们使用
开放类型时，都会面临一个问题
。在JIT编译阶段，CLR会获取泛型的IL，再寻找对应的实参替换，生成合适的本机代码。
但这么做有一个缺点，要为每一种不同的泛型类型/方法组合生成，各种各种的本机代码。这将明显增加程序的Assembly，从而损害性能
CLR为了缓解该现象，做了一个特殊的优化：
共享方法体
相同类型实参，共用一套方法
如果一个Assembly中使用了List<Struct>另外一个Assembly也使用了List<Struct>
那么CLR只会生成一套本机代码。引用类型实参，共用一套方法
List<String>与List<Stream> 实参都是引用类型，它们的值都是托管堆上的指针引用。因此CLR对指针都可以用同一套方式来操作
值类型就不行了，比如int与long. 一个占用4字节，一个占用8字节。占用的内存不长不一样，导致无法用同一套逻辑来复用
眼见为实1
示例代码
internal class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var a = new Test<string>();
var b = new Test<Stream>();
Debugger.Break();
}
}
public class Test<T>
{
public void Add(T value)
{
}
public void Remove(T value)
{
}
}
变量a：
变量b
仔细观察发现，它们的EEClass完全一致，它们的Add/Remove方法的MethodDesc也完全一直。这印证了上面的说法，引用类型实参引用同一套方法。
眼见为实2
点击查看代码
internal class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var a = new Test<int>();
var b = new Test<long>();
var c = new Test<MyStruct>();
Debugger.Break();
}
}
public class Test<T>
{
public void Add(T value)
{
}
public void Remove(T value)
{
}
}
public struct MyStruct
{
public int Age;
}
我们再把引用类型换为值类型，再看看它们的方法表。
变量a:
变量b:
变量c:
一眼就能看出，它们的MethodDesc完全不一样。这说明在Assembly中。CLR为泛型生成了3套方法。
细心的朋友可能会发现，引用类型的实参变成了一个叫System.__Canon的类型。CLR 内部使用 System.__Canon 来给所有的引用类型做“占位符”使用
有兴趣的小伙伴可以参考它的源码：coreclr\System.Private.CoreLib\src\System__Canon.cs
为什么值类型无法共用同一套方法？
其实很好理解，引用类型的指针长度是固定的(32位4byte,64位8byte)，而值类型的长度不一样。导致值类型生成的底层汇编无法统一处理。因此值类型无法复用同一套方法。
眼见为实
点击查看代码
internal class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var a = new Test<int>();
a.Add(1);
var b = new Test<long>();
b.Add(1);
var c = new Test<string>();
c.Add("");
var d = new Test<Stream>();
d.Add(null);
Debugger.Break();
}
}
public class Test<T>
{
public void Add(T value)
{
var s = value;
}
public void Remove(T value)
{
}
}
//变量a
00007FFBAF7B7435 mov eax,dword ptr [rbp+58h]
00007FFBAF7B7438 mov dword ptr [rbp+2Ch],eax //int 类型步长4 2ch
//变量b
00007FFBAF7B7FD7 mov rax,qword ptr [rbp+58h]
00007FFBAF7B7FDB mov qword ptr [rbp+28h],rax //long 类型步长8 28h 汇编不一致
//变量c
00007FFBAF7B8087 mov rax,qword ptr [rbp+58h]
00007FFBAF7B808B mov qword ptr [rbp+28h],rax // 28h
//变量d
00007FFBAF7B8087 mov rax,qword ptr [rbp+58h]
00007FFBAF7B808B mov qword ptr [rbp+28h],rax // 28h 引用类型地址步长一致，汇编也一致。
泛型的数学计算
在.NET 7之前，如果我们要利用泛型进行数学运算。是无法实现的。只能通过dynamic来曲线救国
.NET 7中，引入了新的数学相关泛型接口，并提供了接口的默认实现。
https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/generics/math
数学计算接口的底层实现
C#层：
相加的操作主要靠IAdditionOperators接口。
IL层：
+操作符被JIT编译成了op_Addition抽象方法
对于int来说，会调用int的实现
System.Int32.System.Numerics.IAdditionOperators
对于long来说，会调用long的实现
System.Int64.System.Numerics.IAdditionOperators
从原理上来说很简单,BCL实现了基本值类型的所有+-*/操作，只要在泛型中做好约束，JIT会自动调用相应的实现。
结论
一路无话，无非打打杀杀。
泛型，用就完事了。就是要
稍微注意
(硬盘比程序员便宜多了)值类型泛型造成的代码爆炸。