为什么要把类设置成密封？

时间：2022-11-28 10:12:25

前几天笔者提交了关于FasterKvCache的性能优化代码，其中有一个点就是我把一些后续不需要继承的类设置为了sealed密封类，然后就有小伙伴在问，为啥这个地方需要设置成sealed？
为什么要把类设置成密封？

提交的代码如下所示：
为什么要把类设置成密封？

一般业务开发的同学可能接触密封类比较少，密封类除了框架设计约束（不能被继承）以外，还有一个微小的性能提升，不过虽然它是一个微小的优化点，多框架开发的作者都会做这样的优化，如果方法调用的频次很高，那也会带来很大的收益。

笔者最开始是从.NET runtime 中的代码学习到这一个优化技巧，后面有看到meziantou大佬的文章performance-benefits-of-sealed-class完整的学习了一下。

然后本来是想翻译一下这篇文章，找了下发现 Weihan 大佬今年年初翻译了meziantou大佬的文章，质量非常高的中文版，大家可以戳链接看看，既然如此在本文中带大家回顾一下文章中例子，另外从 JIT ASM 的层面分析为什么性能会有提升。

性能优势

虚方法调用

在上面提到的文章例子中，有一个虚方法的调用，大家其实要明白一点，现在面向对象的封装、继承、多态中的多态实现主要就是靠虚方法。

一个类型可能会有子类，子类可能会重写类型的方法从而达到不同的行为(多态)，而这些重写的方法都在虚方法表里，调用的话就需要查表。
为什么要把类设置成密封？

回到文中的代码，大佬构建了一个这样的测试用例：

public class SealedBenchmark
{
    readonly NonSealedType nonSealedType = new();
    readonly SealedType sealedType = new();

    [Benchmark(Baseline = true)]
    public void NonSealed()
    {
        // JIT不能知道nonSealedType的实际类型.
        // 它可能已经被另一个方法设置为派生类。
        // 所以，为了安全起见，它必须使用一个虚拟调用。
        nonSealedType.Method();
    }

    [Benchmark]
    public void Sealed()
    {
        // JIT确信sealedType是一个SealedType。 由于该类是密封的。
        // 它不可能是一个派生类型的实例。
        // 所以它可以使用直接调用，这样会更快。
        sealedType.Method();
    }
}

// 基类
internal class BaseType
{
    public virtual void Method() { }
}

// 非密封的派生类
internal class NonSealedType : BaseType
{
    public override void Method() { }
}

// 密封的派生类
internal sealed class SealedType : BaseType
{
    public override void Method() { }
}

取得的结果就是密封类要比非密封的快 98%。
为什么要把类设置成密封？

那么为什么会这样呢？首先我们来比较一下两个方法的 IL 代码，发现是一模一样的，对于方法调用都是用了callvirt（它就是用来调用虚方法的，想了解更多详情可以看这里），因为 instance 是从字段中加载的，编译器无法知道具体的类型，只能使用callvirt。
为什么要把类设置成密封？

那区别在哪里呢？我们可以看到 JIT 生成后的汇编代码，可以很清楚的看到密封类少了两条指令，因为 JIT 可以从密封类中知道它不可能被继承，也不可能被重写，所以是直接跳转到密封类目标方法执行，而非密封类还有一个查表的过程。而现在很多大佬聊天说 JIT 的"去虚拟化"其实主要就是在 JIT 编译时去除了callvirt调用。
为什么要把类设置成密封？

另外文中也提到了一段代码，如果 JIT 能确定类型，也是直接调用的：

void NonSealed()
{
    var instance = new NonSealedType();
    instance.Method(); // JIT知道`instance`是NonSealedType，因为它是在方法中被创建的，
                       // 从未被修改过，所以它使用直接调用
}

void Sealed()
{
    var instance = new SealedType();
    instance.Method(); // JIT知道类型是SealedType, 所以直接调用
}

此时两者的汇编代码没有任何区别，都是直接 jmp 到目标方法。
为什么要把类设置成密封？

发现一个有趣的东西，如果我们切到.NET Framework 的 JIT，可以发现.NET Framework 的 JIT 没有.NET 生成的这么高效，没有直接 jmp 到目标方法，而是多了一层 call 和 ret。所以，朋友们还等什么呢？快升级.NET 版本吧。
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对象类型转换 (is / as)

同样有下面这样一段代码，测试密封类和非密封类的对象类型转换性能：

public class SealedBenchmark
{
    readonly BaseType baseType = new();

    [Benchmark(Baseline = true)]
    public bool Is_Sealed() => baseType is SealedType;

    [Benchmark]
    public bool Is_NonSealed() => baseType is NonSealedType;
}

internal class BaseType {}
internal class NonSealedType : BaseType {}
internal sealed class SealedType : BaseType {}

毫无疑问，密封类快 91%。
为什么要把类设置成密封？

IL 层面，两个方法都是一模一样：
为什么要把类设置成密封？

可以看到密封类的代码相当高效，直接比较一下就转换类型返回了，而非密封类还需要 call 方法走查表流程：
为什么要把类设置成密封？

数组

.NET 的数组是协变的，协变兼容的话就意味着在添加进入数组时需要检查它的类型，而如果是密封类那就可以删除检查，同样有下面一段代码：

public class SealedBenchmark
{
    SealedType[] sealedTypeArray = new SealedType[100];
    NonSealedType[] nonSealedTypeArray = new NonSealedType[100];

    [Benchmark(Baseline = true)]
    public void NonSealed()
    {
        nonSealedTypeArray[0] = new NonSealedType();
    }

    [Benchmark]
    public void Sealed()
    {
        sealedTypeArray[0] = new SealedType();
    }

}

internal class BaseType { }
internal class NonSealedType : BaseType { }
internal sealed class SealedType : BaseType { }

密封类的性能要高 14%左右。
为什么要把类设置成密封？

打开 IL 代码，两者编译出的方法都是一样的，但是跳转到汇编代码可以发现差别，同样的是Stelem.Ref给数组赋值，密封类只是检查了一下数组长度，然后直接赋值，而非密封类还需要调用System.Runtime.CompilerServices.CastHelpers.StelemRef进行检查才能完成赋值。
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将数组转换为Span<T>

和数组一样，将数组转换为Span<T>时也需要插入类型检查，有如下测试代码：

public class SealedBenchmark
{
    SealedType[] sealedTypeArray = new SealedType[100];
    NonSealedType[] nonSealedTypeArray = new NonSealedType[100];

    [Benchmark(Baseline = true)]
    public Span<NonSealedType> NonSealed() => nonSealedTypeArray;

    [Benchmark]
    public Span<SealedType> Sealed() => sealedTypeArray;
}

public class BaseType {}
public class NonSealedType : BaseType { }
public sealed class SealedType : BaseType { }

密封类的性能要高 50%：
为什么要把类设置成密封？

同样，这也是 IL 一模一样的，在 JIT 阶段做的优化，可以明显的看到，JIT 为非密封类单独做了类型检查：
为什么要把类设置成密封？

总结

笔者在 FasterKvCache 代码中将一些类设置为sealed的原因显而易见：

  • 为了让类的职责更加清晰，在设计中没有计划让它有派生类
  • 为了性能的提升，JIT 优化可以让其方法调用更快

还有更多有趣的东西（比如 IDE 智能提示将类设置为密封，如何使用 dotnet format 集成这些分析），大家可以翻阅原文或者 Weihan 大佬翻译的文章。

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为什么要把类设置成密封？

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