原文 | Stephen Toub
翻译 | 郑子铭
PGO
我在我的 .NET 6 性能改进一文中写了关于配置文件引导优化 (profile-guided optimization) (PGO) 的文章，但我将在此处再次介绍它，因为它已经看到了 .NET 7 的大量改进。
PGO 已经存在了很长时间，有多种语言和编译器。基本思想是你编译你的应用程序，要求编译器将检测注入应用程序以跟踪各种有趣的信息。然后你让你的应用程序通过它的步伐，运行各种常见的场景，使该仪器“描述”应用程序执行时发生的事情，然后保存结果。然后重新编译应用程序，将这些检测结果反馈给编译器，并允许它根据预期的使用方式优化应用程序。这种 PGO 方法被称为“静态 PGO”，因为所有信息都是在实际部署之前收集的，这是 .NET 多年来一直以各种形式进行的事情。不过，从我的角度来看，.NET 中真正有趣的开发是“动态 PGO”，它是在 .NET 6 中引入的，但默认情况下是关闭的。
动态 PGO 利用分层编译。我注意到 JIT 检测第 0 层代码以跟踪方法被调用的次数，或者在循环的情况下，循环执行了多少次。它也可以将它用于其他事情。例如，它可以准确跟踪哪些具体类型被用作接口分派的目标，然后在第 1 层专门化代码以期望最常见的类型（这称为“保护去虚拟化 (guarded devirtualization)”或 GDV）。你可以在这个小例子中看到这一点。将 DOTNET_TieredPGO 环境变量设置为 1，然后在 .NET 7 上运行：
class Program
{
static void Main()
{
IPrinter printer = new Printer();
for (int i = 0; ; i++)
{
DoWork(printer, i);
}
}
static void DoWork(IPrinter printer, int i)
{
printer.PrintIfTrue(i == int.MaxValue);
}
interface IPrinter
{
void PrintIfTrue(bool condition);
}
class Printer : IPrinter
{
public void PrintIfTrue(bool condition)
{
if (condition) Console.WriteLine("Print!");
}
}
}
DoWork 的第 0 层代码最终看起来像这样：
G_M000_IG01: ;; offset=0000H
55 push rbp
4883EC30 sub rsp, 48
488D6C2430 lea rbp, [rsp+30H]
33C0 xor eax, eax
488945F8 mov qword ptr [rbp-08H], rax
488945F0 mov qword ptr [rbp-10H], rax
48894D10 mov gword ptr [rbp+10H], rcx
895518 mov dword ptr [rbp+18H], edx
G_M000_IG02: ;; offset=001BH
FF059F220F00 inc dword ptr [(reloc 0x7ffc3f1b2ea0)]
488B4D10 mov rcx, gword ptr [rbp+10H]
48894DF8 mov gword ptr [rbp-08H], rcx
488B4DF8 mov rcx, gword ptr [rbp-08H]
48BAA82E1B3FFC7F0000 mov rdx, 0x7FFC3F1B2EA8
E8B47EC55F call CORINFO_HELP_CLASSPROFILE32
488B4DF8 mov rcx, gword ptr [rbp-08H]
48894DF0 mov gword ptr [rbp-10H], rcx
488B4DF0 mov rcx, gword ptr [rbp-10H]
33D2 xor edx, edx
817D18FFFFFF7F cmp dword ptr [rbp+18H], 0x7FFFFFFF
0F94C2 sete dl
49BB0800F13EFC7F0000 mov r11, 0x7FFC3EF10008
41FF13 call [r11]IPrinter:PrintIfTrue(bool):this
90 nop
G_M000_IG03: ;; offset=0062H
4883C430 add rsp, 48
5D pop rbp
C3 ret
而最值得注意的是，你可以看到调用[r11]IPrinter:PrintIfTrue(bool):这个做接口调度。但是，再看一下为第一层生成的代码。我们仍然看到调用[r11]IPrinter:PrintIfTrue(bool):this，但我们也看到了这个。
G_M000_IG02: ;; offset=0020H
48B9982D1B3FFC7F0000 mov rcx, 0x7FFC3F1B2D98
48390F cmp qword ptr [rdi], rcx
7521 jne SHORT G_M000_IG05
81FEFFFFFF7F cmp esi, 0x7FFFFFFF
7404 je SHORT G_M000_IG04
G_M000_IG03: ;; offset=0037H
FFC6 inc esi
EBE5 jmp SHORT G_M000_IG02
G_M000_IG04: ;; offset=003BH
48B9D820801A24020000 mov rcx, 0x2241A8020D8
488B09 mov rcx, gword ptr [rcx]
FF1572CD0D00 call [Console:WriteLine(String)]
EBE7 jmp SHORT G_M000_IG03
第一块是检查IPrinter的具体类型（存储在rdi中）并与Printer的已知类型（0x7FFC3F1B2D98）进行比较。如果它们不一样，它就跳到它在未优化版本中做的同样的接口调度。但如果它们相同，它就会直接跳到Printer.PrintIfTrue的内联版本（你可以看到这个方法中对Console:WriteLine的调用）。因此，普通情况（本例中唯一的情况）是超级有效的，代价是一个单一的比较和分支。
这一切都存在于.NET 6中，那么为什么我们现在要谈论它？有几件事得到了改善。首先，由于dotnet/runtime#61453这样的改进，PGO现在可以与OSR一起工作。这是一个大问题，因为这意味着做这种接口调度的热的长期运行的方法（这相当普遍）可以得到这些类型的去虚拟化/精简优化。第二，虽然PGO目前不是默认启用的，但我们已经让它更容易打开了。在dotnet/runtime#71438和dotnet/sdk#26350之间，现在可以简单地将
PGO已经知道如何对虚拟调度进行检测。现在在.NET 7中，在很大程度上要感谢dotnet/runtime#68703，它也可以为委托做这件事（至少是对实例方法的委托）。考虑一下这个简单的控制台应用程序。
using System.Runtime.CompilerServices;
class Program
{
static int[] s_values = Enumerable.Range(0, 1_000).ToArray();
static void Main()
{
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
Sum(s_values, i => i * 42);
}
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
static int Sum(int[] values, Func<int, int> func)
{
int sum = 0;
foreach (int value in values)
sum += func(value);
return sum;
}
}
在没有启用PGO的情况下，我得到的优化汇编是这样的。
; Assembly listing for method Program:Sum(ref,Func`2):int
; Emitting BLENDED_CODE for X64 CPU with AVX - Windows
; Tier-1 compilation
; optimized code
; rsp based frame
; partially interruptible
; No PGO data
G_M000_IG01: ;; offset=0000H
4156 push r14
57 push rdi
56 push rsi
55 push rbp
53 push rbx
4883EC20 sub rsp, 32
488BF2 mov rsi, rdx
G_M000_IG02: ;; offset=000DH
33FF xor edi, edi
488BD9 mov rbx, rcx
33ED xor ebp, ebp
448B7308 mov r14d, dword ptr [rbx+08H]
4585F6 test r14d, r14d
7E16 jle SHORT G_M000_IG04
G_M000_IG03: ;; offset=001DH
8BD5 mov edx, ebp
8B549310 mov edx, dword ptr [rbx+4*rdx+10H]
488B4E08 mov rcx, gword ptr [rsi+08H]
FF5618 call [rsi+18H]Func`2:Invoke(int):int:this
03F8 add edi, eax
FFC5 inc ebp
443BF5 cmp r14d, ebp
7FEA jg SHORT G_M000_IG03
G_M000_IG04: ;; offset=0033H
8BC7 mov eax, edi
G_M000_IG05: ;; offset=0035H
4883C420 add rsp, 32
5B pop rbx
5D pop rbp
5E pop rsi
5F pop rdi
415E pop r14
C3 ret
; Total bytes of code 64
注意其中调用[rsi+18H]Func`2:Invoke(int):int:this来调用委托。现在启用了PGO。
; Assembly listing for method Program:Sum(ref,Func`2):int
; Emitting BLENDED_CODE for X64 CPU with AVX - Windows
; Tier-1 compilation
; optimized code
; optimized using profile data
; rsp based frame
; fully interruptible
; with Dynamic PGO: edge weights are valid, and fgCalledCount is 5628
; 0 inlinees with PGO data; 1 single block inlinees; 0 inlinees without PGO data
G_M000_IG01: ;; offset=0000H
4157 push r15
4156 push r14
57 push rdi
56 push rsi
55 push rbp
53 push rbx
4883EC28 sub rsp, 40
488BF2 mov rsi, rdx
G_M000_IG02: ;; offset=000FH
33FF xor edi, edi
488BD9 mov rbx, rcx
33ED xor ebp, ebp
448B7308 mov r14d, dword ptr [rbx+08H]
4585F6 test r14d, r14d
7E27 jle SHORT G_M000_IG05
G_M000_IG03: ;; offset=001FH
8BC5 mov eax, ebp
8B548310 mov edx, dword ptr [rbx+4*rax+10H]
4C8B4618 mov r8, qword ptr [rsi+18H]
48B8A0C2CF3CFC7F0000 mov rax, 0x7FFC3CCFC2A0
4C3BC0 cmp r8, rax
751D jne SHORT G_M000_IG07
446BFA2A imul r15d, edx, 42
G_M000_IG04: ;; offset=003CH
4103FF add edi, r15d
FFC5 inc ebp
443BF5 cmp r14d, ebp
7FD9 jg SHORT G_M000_IG03
G_M000_IG05: ;; offset=0046H
8BC7 mov eax, edi
G_M000_IG06: ;; offset=0048H
4883C428 add rsp, 40
5B pop rbx
5D pop rbp
5E pop rsi
5F pop rdi
415E pop r14
415F pop r15
C3 ret
G_M000_IG07: ;; offset=0055H
488B4E08 mov rcx, gword ptr [rsi+08H]
41FFD0 call r8
448BF8 mov r15d, eax
EBDB jmp SHORT G_M000_IG04
我选择了i => i * 42中的42常数，以使其在汇编中容易看到，果然，它就在那里。
G_M000_IG03: ;; offset=001FH
8BC5 mov eax, ebp
8B548310 mov edx, dword ptr [rbx+4*rax+10H]
4C8B4618 mov r8, qword ptr [rsi+18H]
48B8A0C2CF3CFC7F0000 mov rax, 0x7FFC3CCFC2A0
4C3BC0 cmp r8, rax
751D jne SHORT G_M000_IG07
446BFA2A imul r15d, edx, 42
这是从委托中加载目标地址到r8，并加载预期目标的地址到rax。如果它们相同，它就简单地执行内联操作（imul r15d, edx, 42），否则就跳转到G_M000_IG07，调用r8的函数。如果我们把它作为一个基准运行，其效果是显而易见的。
static int[] s_values = Enumerable.Range(0, 1_000).ToArray();
[Benchmark]
public int DelegatePGO() => Sum(s_values, i => i * 42);
static int Sum(int[] values, Func<int, int>? func)
{
int sum = 0;
foreach (int value in values)
{
sum += func(value);
}
return sum;
}
在禁用PGO的情况下，我们在.NET 6和.NET 7中得到了相同的性能吞吐量。
| 方法 | 运行时间 | 平均值 | 比率 |
|---|---|---|---|
| DelegatePGO | .NET 6.0 | 1.665 us | 1.00 |
| DelegatePGO | .NET 7.0 | 1.659 us | 1.00 |
但当我们启用动态PGO（DOTNET_TieredPGO=1）时，情况发生了变化。.NET 6的速度提高了~14%，但.NET 7的速度提高了~3倍!
| 方法 | 运行时间 | 平均值 | 比率 |
|---|---|---|---|
| DelegatePGO | .NET 6.0 | 1,427.7 ns | 1.00 |
| DelegatePGO | .NET 7.0 | 539.0 ns | 0.38 |
dotnet/runtime#70377是动态PGO的另一个有价值的改进，它使PGO能够很好地发挥循环克隆和不变量提升的作用。为了更好地理解这一点，简要地说说这些是什么。循环克隆 (Loop cloning) 是JIT采用的一种机制，以避免循环的快速路径中的各种开销。考虑一下本例中的Test方法。
using System.Runtime.CompilerServices;
class Program
{
static void Main()
{
int[] array = new int[10_000_000];
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
{
Test(array);
}
}
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
private static bool Test(int[] array)
{
for (int i = 0; i < 0x12345; i++)
{
if (array[i] == 42)
{
return true;
}
}
return false;
}
}
JIT不知道传入的数组是否有足够的长度，以至于在循环中对数组[i]的所有访问都在边界内，因此它需要为每次访问注入边界检查。虽然简单地在前面进行长度检查，并在长度不够的情况下提前抛出一个异常是很好的，但这样做也会改变行为（设想该方法在进行时向数组中写入数据，或者以其他方式改变一些共享状态）。相反，JIT采用了 "循环克隆"。它从本质上重写了这个测试方法，使之更像这样。
if (array is not null && array.Length >= 0x12345)
{
for (int i = 0; i < 0x12345; i++)
{
if (array[i] == 42) // no bounds checks emitted for this access :-)
{
return true;
}
}
}
else
{
for (int i = 0; i < 0x12345; i++)
{
if (array[i] == 42) // bounds checks emitted for this access :-(
{
return true;
}
}
}
return false;
这样一来，以一些代码重复为代价，我们得到了没有边界检查的快速循环，而只需支付慢速路径中的边界检查。你可以在生成的程序集中看到这一点（如果你还不明白，DOTNET_JitDisasm是.NET 7中我最喜欢的功能之一）。
; Assembly listing for method Program:Test(ref):bool
; Emitting BLENDED_CODE for X64 CPU with AVX - Windows
; Tier-1 compilation
; optimized code
; rsp based frame
; fully interruptible
; No PGO data
G_M000_IG01: ;; offset=0000H
4883EC28 sub rsp, 40
G_M000_IG02: ;; offset=0004H
33C0 xor eax, eax
4885C9 test rcx, rcx
7429 je SHORT G_M000_IG05
81790845230100 cmp dword ptr [rcx+08H], 0x12345
7C20 jl SHORT G_M000_IG05
0F1F40000F1F840000000000 align [12 bytes for IG03]
G_M000_IG03: ;; offset=0020H
8BD0 mov edx, eax
837C91102A cmp dword ptr [rcx+4*rdx+10H], 42
7429 je SHORT G_M000_IG08
FFC0 inc eax
3D45230100 cmp eax, 0x12345
7CEE jl SHORT G_M000_IG03
G_M000_IG04: ;; offset=0032H
EB17 jmp SHORT G_M000_IG06
G_M000_IG05: ;; offset=0034H
3B4108 cmp eax, dword ptr [rcx+08H]
7323 jae SHORT G_M000_IG10
8BD0 mov edx, eax
837C91102A cmp dword ptr [rcx+4*rdx+10H], 42
7410 je SHORT G_M000_IG08
FFC0 inc eax
3D45230100 cmp eax, 0x12345
7CE9 jl SHORT G_M000_IG05
G_M000_IG06: ;; offset=004BH
33C0 xor eax, eax
G_M000_IG07: ;; offset=004DH
4883C428 add rsp, 40
C3 ret
G_M000_IG08: ;; offset=0052H
B801000000 mov eax, 1
G_M000_IG09: ;; offset=0057H
4883C428 add rsp, 40
C3 ret
G_M000_IG10: ;; offset=005CH
E81FA0C15F call CORINFO_HELP_RNGCHKFAIL
CC int3
; Total bytes of code 98
G_M000_IG02部分正在进行空值检查和长度检查，如果任何一项失败，则跳转到G_M000_IG05块。如果两者都成功了，它就会执行循环（G_M000_IG03块）而不进行边界检查。
G_M000_IG03: ;; offset=0020H
8BD0 mov edx, eax
837C91102A cmp dword ptr [rcx+4*rdx+10H], 42
7429 je SHORT G_M000_IG08
FFC0 inc eax
3D45230100 cmp eax, 0x12345
7CEE jl SHORT G_M000_IG03
边界检查只显示在慢速路径块中。
G_M000_IG05: ;; offset=0034H
3B4108 cmp eax, dword ptr [rcx+08H]
7323 jae SHORT G_M000_IG10
8BD0 mov edx, eax
837C91102A cmp dword ptr [rcx+4*rdx+10H], 42
7410 je SHORT G_M000_IG08
FFC0 inc eax
3D45230100 cmp eax, 0x12345
7CE9 jl SHORT G_M000_IG05
这就是 "循环克隆"。那么，"不变量提升 (invariant hoisting) "呢？提升是指把某个东西从循环中拉到循环之前，而不变量是不会改变的东西。因此，不变量提升是指把某个东西从循环中拉到循环之前，以避免在循环的每个迭代中重新计算一个不会改变的答案。实际上，前面的例子已经展示了不变量提升，即边界检查被移到了循环之前，而不是在循环中，但一个更具体的例子是这样的。
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
private static bool Test(int[] array)
{
for (int i = 0; i < 0x12345; i++)
{
if (array[i] == array.Length - 42)
{
return true;
}
}
return false;
}
注意，array.Length - 42的值在循环的每次迭代中都不会改变，所以它对循环迭代是 "不变的"，可以被抬出来，生成的代码就是这样做的。
G_M000_IG02: ;; offset=0004H
33D2 xor edx, edx
4885C9 test rcx, rcx
742A je SHORT G_M000_IG05
448B4108 mov r8d, dword ptr [rcx+08H]
4181F845230100 cmp r8d, 0x12345
7C1D jl SHORT G_M000_IG05
4183C0D6 add r8d, -42
0F1F4000 align [4 bytes for IG03]
G_M000_IG03: ;; offset=0020H
8BC2 mov eax, edx
4439448110 cmp dword ptr [rcx+4*rax+10H], r8d
7433 je SHORT G_M000_IG08
FFC2 inc edx
81FA45230100 cmp edx, 0x12345
7CED jl SHORT G_M000_IG03
这里我们再次看到数组被测试为空（test rcx, rcx），数组的长度被检查（mov r8d, dword ptr [rcx+08H] then cmp r8d, 0x12345），但是在r8d中有数组的长度，然后我们看到这个前期块从长度中减去42（add r8d, -42），这是在我们继续进入G_M000_IG03块的快速路径循环前。这使得额外的操作集不在循环中，从而避免了每次迭代重新计算数值的开销。
好的，那么这如何适用于动态PGO呢？请记住，对于PGO能够做到的界面/虚拟调度的规避，它是通过进行类型检查，看使用的类型是否是最常见的类型；如果是，它就使用直接调用该类型方法的快速路径（这样做的话，该调用有可能被内联），如果不是，它就回到正常的界面/虚拟调度。这种检查可以不受循环的影响。因此，当一个方法被分层，PGO启动时，类型检查现在可以从循环中提升出来，使得处理普通情况更加便宜。考虑一下我们原来的例子的这个变化。
using System.Runtime.CompilerServices;
class Program
{
static void Main()
{
IPrinter printer = new BlankPrinter();
while (true)
{
DoWork(printer);
}
}
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
static void DoWork(IPrinter printer)
{
for (int j = 0; j < 123; j++)
{
printer.Print(j);
}
}
interface IPrinter
{
void Print(int i);
}
class BlankPrinter : IPrinter
{
public void Print(int i)
{
Console.Write("");
}
}
}
当我们看一下在启用动态PGO的情况下为其生成的优化程序集时，我们看到了这个。
; Assembly listing for method Program:DoWork(IPrinter)
; Emitting BLENDED_CODE for X64 CPU with AVX - Windows
; Tier-1 compilation
; optimized code
; optimized using profile data
; rsp based frame
; partially interruptible
; with Dynamic PGO: edge weights are invalid, and fgCalledCount is 12187
; 0 inlinees with PGO data; 1 single block inlinees; 0 inlinees without PGO data
G_M000_IG01: ;; offset=0000H
57 push rdi
56 push rsi
4883EC28 sub rsp, 40
488BF1 mov rsi, rcx
G_M000_IG02: ;; offset=0009H
33FF xor edi, edi
4885F6 test rsi, rsi
742B je SHORT G_M000_IG05
48B9982DD43CFC7F0000 mov rcx, 0x7FFC3CD42D98
48390E cmp qword ptr [rsi], rcx
751C jne SHORT G_M000_IG05
G_M000_IG03: ;; offset=001FH
48B9282040F948020000 mov rcx, 0x248F9402028
488B09 mov rcx, gword ptr [rcx]
FF1526A80D00 call [Console:Write(String)]
FFC7 inc edi
83FF7B cmp edi, 123
7CE6 jl SHORT G_M000_IG03
G_M000_IG04: ;; offset=0039H
EB29 jmp SHORT G_M000_IG07
G_M000_IG05: ;; offset=003BH
48B9982DD43CFC7F0000 mov rcx, 0x7FFC3CD42D98
48390E cmp qword ptr [rsi], rcx
7521 jne SHORT G_M000_IG08
48B9282040F948020000 mov rcx, 0x248F9402028
488B09 mov rcx, gword ptr [rcx]
FF15FBA70D00 call [Console:Write(String)]
G_M000_IG06: ;; offset=005DH
FFC7 inc edi
83FF7B cmp edi, 123
7CD7 jl SHORT G_M000_IG05
G_M000_IG07: ;; offset=0064H
4883C428 add rsp, 40
5E pop rsi
5F pop rdi
C3 ret
G_M000_IG08: ;; offset=006BH
488BCE mov rcx, rsi
8BD7 mov edx, edi
49BB1000AA3CFC7F0000 mov r11, 0x7FFC3CAA0010
41FF13 call [r11]IPrinter:Print(int):this
EBDE jmp SHORT G_M000_IG06
; Total bytes of code 127
我们可以在G_M000_IG02块中看到，它正在对IPrinter实例进行类型检查，如果检查失败就跳到G_M000_IG05（mov rcx, 0x7FFC3CD42D98 then cmp qword ptr [rsi], rcx then jne SHORT G_M000_IG05），否则就跳到G_M000_IG03，这是一个紧密的快速路径循环，内联BlankPrinter.Print，看不到任何类型检查。
有趣的是，这样的改进也会带来自己的挑战。PGO导致了类型检查数量的大幅增加，因为专门针对某一特定类型的调用站点需要与该类型进行比较。然而，普通的子表达式消除 (common subexpression elimination)（CSE）在历史上并不适用这种类型的句柄（CSE是一种编译器优化，通过计算一次结果，然后存储起来供以后使用，而不是每次都重新计算，来消除重复的表达式）。dotnet/runtime#70580通过对这种常量句柄启用CSE来解决这个问题。例如，考虑这个方法。
[Benchmark]
[Arguments("", "", "", "")]
public bool AllAreStrings(object o1, object o2, object o3, object o4) =>
o1 is string && o2 is string && o3 is string && o4 is string;
在.NET 6上，JIT产生了这个汇编代码：
; Program.AllAreStrings(System.Object, System.Object, System.Object, System.Object)
test rdx,rdx
je short M00_L01
mov rax,offset MT_System.String
cmp [rdx],rax
jne short M00_L01
test r8,r8
je short M00_L01
mov rax,offset MT_System.String
cmp [r8],rax
jne short M00_L01
test r9,r9
je short M00_L01
mov rax,offset MT_System.String
cmp [r9],rax
jne short M00_L01
mov rax,[rsp+28]
test rax,rax
je short M00_L00
mov rdx,offset MT_System.String
cmp [rax],rdx
je short M00_L00
xor eax,eax
M00_L00:
test rax,rax
setne al
movzx eax,al
ret
M00_L01:
xor eax,eax
ret
; Total bytes of code 100
请注意，C#对字符串有四个测试，而汇编代码中的mov rax,offset MT_System.String有四个加载。现在在.NET 7上，加载只执行一次。
; Program.AllAreStrings(System.Object, System.Object, System.Object, System.Object)
test rdx,rdx
je short M00_L01
mov rax,offset MT_System.String
cmp [rdx],rax
jne short M00_L01
test r8,r8
je short M00_L01
cmp [r8],rax
jne short M00_L01
test r9,r9
je short M00_L01
cmp [r9],rax
jne short M00_L01
mov rdx,[rsp+28]
test rdx,rdx
je short M00_L00
cmp [rdx],rax
je short M00_L00
xor edx,edx
M00_L00:
xor eax,eax
test rdx,rdx
setne al
ret
M00_L01:
xor eax,eax
ret
; Total bytes of code 69
原文链接
Performance Improvements in .NET 7
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