CLR中的castclass操作码的目的是什么？

2024-01-21 15:30:22

我遇到了在标准ECMA-335,III.4.3中定义的castclass操作码.我写了几个使用Castvirt操作码(不带转换)的示例.事实证明,castclass操作码对性能影响很大.

为了进行测试,我使用了以下“粗略”(就方法执行的不精确时序而言)程序(由msvc 2015在“发布”模式下编译)：

public class Program
{
    public interface IShow {  string show(); }
    public class ObjectWithShow : IShow 
    { 
        public string show() => "Hello, that's the show method."; 
    }
    // Such functions remains unchanged
    public static string showWithCast(object o) => ((IShow)o).show();
    public static string show(IShow o) => o.show();
    // Such function will be patched later
    public static string showWithoutCast(object o) => ((IShow)o).show();

    public static void Main()
    {
        int N = 10000000;
        var show_object = new ObjectWithShow();
        {

           var watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
            for (int i = 0; i < N; ++i)
            {
                showWithCast(show_object);
            }
            watch.Stop();
            Console.WriteLine($"With cast {watch.ElapsedMilliseconds}");
        }
        {

            var watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
            for (int i = 0; i < N; ++i)
            {
                showWithoutCast(show_object);
            }
            watch.Stop();
            Console.WriteLine($"Without cast {watch.ElapsedMilliseconds}");
        }
        {

            var watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
            for (int i = 0; i < N; ++i)
            {
                show(show_object);
            }
            watch.Stop();
            Console.WriteLine($"Without cast {watch.ElapsedMilliseconds}");
        }
    }
}

这是show / showWitCast函数的IL代码：

.method public hidebysig static string show (class IShow o) cil managed 
{
    .maxstack 8
    IL_0000: ldarg.0
    IL_0001: callvirt instance string IShow::show()
    IL_0006: ret
} // end of method Program::show


.method public hidebysig static string showWithCast (object o) cil managed 
{
    .maxstack 8
    IL_0000: ldarg.0
    IL_0001: castclass IShow
    IL_0006: callvirt instance string IShow::show()
    IL_000b: ret
} // end of method Program::showWithCast

这是showWithoutCast的代码(注意：我通过在IL编辑器中删除castclass IShow对其进行了修补.原始版本与showWithCast相同)

.method public hidebysig static string showWithoutCast (object o) cil managed 
{

    .maxstack 8

    IL_0000: ldarg.0
    IL_0001: callvirt instance string IShow::show()
    IL_0006: ret
} // end of method Program::showWithoutCast

执行结果(i7-3370 CPU @ 3.40GHz,8GB RAM)显示以下结果：

With cast 46

Without cast 24

Without cast 23

事实证明,不带castclass的对象上的callvirt显示的结果几乎与我们使用接口实例的结果相同.那么,castclass的目的是什么？我猜想c#编译器会发出这样的代码以确保callvirt操作码不会在不适当的类型上使用(因为它无法在编译时执行此类检查).因此,接下来的问题-是否是一致的CIL代码,在这里我有意删除了castclass的使用,在哪里我保证该方法仅用于实现IShow的类型？

附言当然,您可以问,也许应该使用show方法呢？但是在某些情况下,无法使用该功能.简而言之,我动态生成代码,并且想要实现通用容器(它继承了IShow),但是其通用参数可以选择实现接口IShow.如果泛型参数未实现接口(例如,它是int),那么我保证不会使用container的方法show.

解决方法:

所有callvirt实例字符串IShow :: show指令都调用相同的存根,该存根跳转到与接口方法关联的lookup stub.查找桩将根据接收调用的对象的类型来解析要调用的方法.在这种情况下,该对象确实实现了IShow,因此一切正常.但是,如果传递的对象未实现IShow,则查找存根将在该对象的方法表中找不到IShow :: show,因此将引发类型EntryPointNotFoundException的异常.

IL虚拟机的评估堆栈在执行callvirt指令时包含类型为object的对象.目标方法是IShow :: show().根据CLI规范第III.4.2节,类型对象必须是可验证者可分配给IShow的,才能验证IL代码. castclass使代码可验证.在这种情况下,由于代码是完全可信的,因此自动跳过验证,因此不会引发验证异常,并且方法将编译并执行JIT.

从技术上讲,在这种情况下,showWithoutCast不包含任何IL指令,这些指令应导致按照规范引发类型为EntryPointNotFoundException的异常.但是,由于该代码不可验证,因此该标准的第II.3节指出,在验证失败的情况下,行为是不确定的.即,不需要实现来记录发生哪种行为.另一方面,指定了可验证代码的行为,并且castclass使验证成功.

请注意,当您在计算机上本地构建IL代码并运行它时,它将被自动视为完全可信.因此,JIT编译器将不会验证任何方法.

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