一起谈.NET技术，关于Expression Tree和IL Emit的所谓的"性能差别"

2022-06-04 04:15:03

　　昨天写了《三种属性操作性能比较》，有个网友写信问我一个问题：从性能上看，Expression Tree和IL Emit孰优孰劣?虽然我在回信中作了简单的回答，但不知道这个网友是否懂我的意思。反正今天呆在家里也没事儿，干脆再就这个话题再写一篇文章。

目录：
一、Expression Tree和IL Emit并不存在所谓的性能差异
二、属性赋值操作的两种写法
三、属性取值操作的两种写法
四、两种写法对应的IL

　　一、Expression Tree和IL Emit并不存在所谓的性能差异

　　Expression Tree和IL Emit的性能孰优孰劣，这本是个“不是问题的问题”。因为两者之间并不存在本质的区别，所以也谈不上性能的优劣问题。举个例子来说，我们知道.NET Framework 2.0,3.0和3.5使用的是相同的CLR。但是C# 3.0、3.5在2.0的基础上推出了很多语言层面的特性，比如自动实现属性：




public class Foo
{
public Bar Bar{get;set;}
public Foo()
    {
this.Bar = new Bar();
    }
}





　　我们也可以按照下面“传统”的方式来写上面这段代码，谁都知道这两种写法在本质上是完全一样的。就上面的程序来说，在编译的时候C#编译器会将其转化成下一种形式，什么自动实现属性、匿名属性、扩展方法，都是浮云——语法糖而已。







public class Foo
{
private Bar _bar;
public Bar Bar
    {
get{return _bar;}
set{_bar = value;}
    }
public Foo()
    {
        _bar = new Bar();
    }
}





　　Expression Tree和IL Emit之间的关系与这些“语法糖”类似。编译后的Expression Tree就是IL代码；而IL Emit让我们可以用高级语言的编程方式来控制中间语言（IL）程序。由于最终的东西都是一样的，谈不上谁比谁好的问题。编译Expression Tree实现了向IL的转换，如果你通过IL Emit写的IL能够比Expression Tree自动转换的好，那么你的程序性能就好，否则性能就差。但是我们不能说Expression Tree和IL Emit在性能上孰优孰劣。


　　二、属性赋值操作的两种写法


　　我们说明Expression Tree和IL Emit之间不存在性能的差异，我们不妨写个例子。简单起见，我们还是采用前面谈到过的属性赋值和取值的操作为例。假设有如下一个接口IFoo，包含一个类型和名称均为Bar的可读写的属性。







public interface IFoo
{
    Bar{get;set;}
}
public class Bar{}





　　现在我们通过Expression Tree和IL Emit两种方式编写一个静态方法对IFoo对象的Bar属性进行赋值。简单起见，我们甚至将静态方法的参数类型直接指定为IFoo和Bar，从而省去了类型转换操作。下面是通过Expression Tree进行属性赋值的方法：SetPropertyValueViaExpression。







public static void SetPropertyValueViaExpression(IFoo foo, Bar bar)
{
    var property = typeof(IFoo).GetProperty("Bar");
    var target = Expression.Parameter(typeof(IFoo));
    var propertyValue = Expression.Parameter(typeof(Bar));
    var setPropertyValue = Expression.Call(target, property.GetSetMethod(), propertyValue);
    var setAction= Expression.Lambda<Action<IFoo, Bar>>(setPropertyValue, target, propertyValue).Compile();
    setAction(foo, bar);
}





　　而下面的SetPropertyValueViaEmit则通过IL Emit的方式完成了一样的工作：







public static void SetPropertyValueViaEmit(IFoo foo, Bar bar)
{
    var property = typeof(IFoo).GetProperty("Bar");
    DynamicMethod method = new DynamicMethod("SetValue", null, new Type[] { typeof(IFoo), typeof(Bar) });
    ILGenerator ilGenerator = method.GetILGenerator();
    ilGenerator.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
    ilGenerator.Emit(OpCodes.Ldarg_1);
    ilGenerator.EmitCall(OpCodes.Callvirt, property.GetSetMethod(), null);
    ilGenerator.Emit(OpCodes.Ret);

    method.DefineParameter(1, ParameterAttributes.In, "obj");
    method.DefineParameter(2, ParameterAttributes.In, "value");
    var setAction = (Action<IFoo, Bar>)method.CreateDelegate(typeof(Action<IFoo, Bar>));
    setAction(foo, bar);
}





　　三、属性取值操作的两种写法


　　接下来，我们来编写用于进行属性取值操作的方法。下面的SetPropertyValueViaExpression方法是基于Expression Tree的。







public static Bar GetPropertyValueViaExpression(IFoo foo)
{
    var property = typeof(IFoo).GetProperty("Bar");
    var target = Expression.Parameter(typeof(IFoo));
    var getPropertyValue = Expression.Property(target, property);
    var getFunc = Expression.Lambda<Func<IFoo, Bar>>(getPropertyValue, target).Compile();
return getFunc(foo);
}





　　下面则是基于IL Emit的版本：







public static Bar GetPropertyValueViaEmit(IFoo foo)
{
    var property = typeof(IFoo).GetProperty("Bar");
    DynamicMethod method = new DynamicMethod("GetValue", typeof(Bar), new Type[] { typeof(IFoo) });

    ILGenerator ilGenerator = method.GetILGenerator();
    ilGenerator.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
    ilGenerator.EmitCall(OpCodes.Callvirt, property.GetGetMethod(), null);
    ilGenerator.Emit(OpCodes.Ret);

    method.DefineParameter(1, ParameterAttributes.In, "target");
    var getFunc = (Func<IFoo, Bar>)method.CreateDelegate(typeof(Func<IFoo, Bar>));
return getFunc(foo);
}





　　四、看看两种写法对应的IL


　　我们说过，经过编译的Expression Tree就是一段IL代码，而IL Emit则直接反映了IL的执行流程。要判断两者在性能方面孰优孰劣，我们只需要看看Expression Tree最终被转换成怎样的IL。我们现在的做法是动态生成一个程序集，将Expression Tree部分定义到一个方法之中。虽然IL Emit已经是真实底反映了底层的IL代码，但是为了我们的比较更加直观，我们也将IL Emit的部分也写入相应的方法。


　　为此我们在一个Console应用中的Main方法编写了如下的代码：动态创建了名称为Artech.EmitVsExpression的程序集，其中定义了同名的模块。一个唯一的类型Program定义其中，其中定义了四个静态方法：GetPropertyValueViaExpression、SetPropertyValueViaExpression、GetPropertyValueViaEmit和GetPropertyValueViaEmit。而方法体部分则是上面Expression Tree和IL Emit定义的内容。最后这个程序集被保存为一个同名的.dll文件。







static void Main()
{
    var property        = typeof(IFoo).GetProperty("Bar");
    var assemblyBuilder = AppDomain.CurrentDomain.DefineDynamicAssembly(new AssemblyName("Artech.EmitVsExpression"), AssemblyBuilderAccess.RunAndSave);
    var moduleBuilder   = assemblyBuilder.DefineDynamicModule("Artech.EmitVsExpression", "Artech.EmitVsExpression.dll");
    var typeBuilder     = moduleBuilder.DefineType("Program");

//GetPropertyValueViaExpression
    var methodBuilder       = typeBuilder.DefineMethod("GetPropertyValueViaExpression", MethodAttributes.Static | MethodAttributes.Public, typeof(Bar), new Type[] { typeof(IFoo) });
    var target              = Expression.Parameter(typeof(IFoo));
    var getPropertyValue    = Expression.Property(target, property);
    Expression.Lambda<Func<IFoo, Bar>>(getPropertyValue, target).CompileToMethod(methodBuilder);

//SetPropertyValueViaExpression
    methodBuilder           = typeBuilder.DefineMethod("SetPropertyValueViaExpression", MethodAttributes.Static | MethodAttributes.Public, typeof(void), new Type[] { typeof(IFoo), typeof(Bar) });
    target                  = Expression.Parameter(typeof(IFoo));
    var propertyValue       = Expression.Parameter(typeof(Bar));
    var setPropertyValue    = Expression.Call(target, property.GetSetMethod(), propertyValue);
    Expression.Lambda<Action<IFoo, Bar>>(setPropertyValue, target, propertyValue).CompileToMethod(methodBuilder);

//GetPropertyValueViaEmit
    methodBuilder           = typeBuilder.DefineMethod("GetPropertyValueViaEmit", MethodAttributes.Static| MethodAttributes.Public, typeof(Bar), new Type[] { typeof(IFoo) });
    ILGenerator ilGenerator = methodBuilder.GetILGenerator();
    ilGenerator.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
    ilGenerator.EmitCall(OpCodes.Callvirt, property.GetGetMethod(), null);
    ilGenerator.Emit(OpCodes.Ret);

//SetPropertyValueViaEmit
    methodBuilder   = typeBuilder.DefineMethod("SetPropertyValueViaEmit", MethodAttributes.Static | MethodAttributes.Public, typeof(void), new Type[] { typeof(IFoo), typeof(Bar) });
    ilGenerator     = methodBuilder.GetILGenerator();
    ilGenerator.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
    ilGenerator.Emit(OpCodes.Ldarg_1);
    ilGenerator.EmitCall(OpCodes.Callvirt, property.GetSetMethod(), null);
    ilGenerator.Emit(OpCodes.Ret);

    typeBuilder.CreateType();
    assemblyBuilder.Save("Artech.EmitVsExpression.dll");
}





　　现在我们通过IL Disassembler打开这个.dll文件，看看四个静态方法的IL代码。下面是用于用于获取属性值的GetPropertyValueViaExpression和GetPropertyValueViaEmit方法，我们可以看出它们具有完全一致的方式体。







.method public static class [EmitVsExpressionTree]Bar 
        GetPropertyValueViaExpression(class [EmitVsExpressionTree]IFoo A_0) cil managed
{
// Code size       7 (0x7)
  .maxstack  1
  IL_0000:  ldarg.0
  IL_0001:  callvirt   instance class [EmitVsExpressionTree]Bar [EmitVsExpressionTree]IFoo::get_Bar()
  IL_0006:  ret
} // end of method Program::GetPropertyValueViaExpression
 
.method public static class [EmitVsExpressionTree]Bar 
        GetPropertyValueViaEmit(class [EmitVsExpressionTree]IFoo A_0) cil managed
{
// Code size       7 (0x7)
  .maxstack  1
  IL_0000:  ldarg.0
  IL_0001:  callvirt   instance class [EmitVsExpressionTree]Bar [EmitVsExpressionTree]IFoo::get_Bar()
  IL_0006:  ret
} // end of method Program::GetPropertyValueViaEmit





　　下面是用于对属性进行赋值的两个静态方法：SetPropertyValueViaExpression和SetPropertyValueViaEmit，毫无疑问它们之间也没有差异。到现在，你还在怀疑两种之间在性能上孰优孰劣吗？







method public static void  SetPropertyValueViaExpression(class [EmitVsExpressionTree]IFoo A_0,
class [EmitVsExpressionTree]Bar A_1) cil managed
{
// Code size       8 (0x8)
  .maxstack  2
  IL_0000:  ldarg.0
  IL_0001:  ldarg.1
  IL_0002:  callvirt   instance void [EmitVsExpressionTree]IFoo::set_Bar(class [EmitVsExpressionTree]Bar)
  IL_0007:  ret
} // end of method Program::SetPropertyValueViaExpression
 
.method public static void  SetPropertyValueViaEmit(class [EmitVsExpressionTree]IFoo A_0,
class [EmitVsExpressionTree]Bar A_1) cil managed
{
// Code size       8 (0x8)
  .maxstack  2
  IL_0000:  ldarg.0
  IL_0001:  ldarg.1
  IL_0002:  callvirt   instance void [EmitVsExpressionTree]IFoo::set_Bar(class [EmitVsExpressionTree]Bar)
  IL_0007:  ret
} // end of method Program::SetPropertyValueViaEmit





　　既然在IL上它们没有差别，那么它们就是两对等效的方法。如果你通过Reflector来打开我们生成的.dll,你会清晰地看到这真的是两对完全一致的方法。







internal class Program
{
// Methods
    public static Bar GetPropertyValueViaEmit(IFoo foo1)
    {
return foo1.Bar;
    } 
public static Bar GetPropertyValueViaExpression(IFoo foo1)
    {
return foo1.Bar;
    } 
public static void SetPropertyValueViaEmit(IFoo foo1, Bar bar1)
    {
        foo1.Bar = bar1;
    } 
public static void SetPropertyValueViaExpression(IFoo foo1, Bar bar1)
    {
        foo1.Bar = bar1;
    }
} 



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