方法的三種調用形式

在《可以調用Null的實例方法嗎？》一文中，我談到.NET方法的三種調用形式，現在我們就來著重聊聊這個話題。具體來說，這里所謂的三種方法調用形式對應著三種IL指令：Call、CallVirt和Calli。

一、三個方法調用指令
二、三種方法調用形式
三、虛方法的分發(fā)（virtual dispatch）
四、性能差異

一、三個方法調用指令

雖然C#的方法具有靜態(tài)方法和實例方法之分，但是在IL層面，它們之間并沒有什么不同，就是單純的“函數”而已，而且這個函數的第一個參數的類型永遠是方法所在的類型。所以在IL層面，方法總是“靜態(tài)”的，調用實例方法的本質就是將目標實例作為第一個參數，對于靜態(tài)方法，第一個參數永遠是Null/Default（值類型）。我在《實例方法和靜態(tài)方法有區(qū)別嗎?》中曾經著重談到過這個問題。

Call和CallVirt指令執(zhí)行方法的流程只有兩步：將所有參數壓入棧中 + 執(zhí)行方法。它們之間的不同之處在于：Call指令編譯時就已經確定了執(zhí)行的方法，而CallVirt則是在運行時根據作為第一個參數的實例類型決定最終執(zhí)行的方法。Calli指令則有所不同，我們執(zhí)行該指令時需要指定目標方法的指針，整個流程包括三步：將所有參數壓入棧中 + 將目標方法指針壓入棧中+執(zhí)行方法。

二、三種方法調用形式

接下來我們使用動態(tài)方法的形式演示上述三種方法調用指令的使用。具體來說，我們采用三種方式調用定義在Calculator中用來進行加法運算的Add方法，為此我們利用CreateInvoker方法根據指定的指令生成一個對應的Func<Calculator, int, int, int>委托。在CreateInvoker方法中，我們創(chuàng)建一個與Func<Calculator, int, int, int>委托匹配的動態(tài)方法。在IL Emit過程中，我們先將三個參數（Calculator對象和Add方法的參數a和b）壓入棧中。如果指定的是Call和CallVirt指令，我們直接執(zhí)行它們就可以了。如果指定的是Calli指令，我們得執(zhí)行Ldftn指令將Add方法的指針壓入棧中（方法指針通過指定的MethodInfo對象提供），然后再執(zhí)行Calli指令。

var calculator = new Calculator();

var invoker = CreateInvoker(OpCodes.Call);
Console.WriteLine($"1 + 2 = {invoker(calculator, 1, 2)} [Call]");

invoker = CreateInvoker(OpCodes.Callvirt);
Console.WriteLine($"1 + 2 = {invoker(calculator, 1, 2)} [Callvirt]");

invoker = CreateInvoker(OpCodes.Calli);
Console.WriteLine($"1 + 2 = {invoker(calculator, 1, 2)} [Calli]");

static Func<Calculator, int, int, int> CreateInvoker(OpCode opcode)
{
    var method = typeof(Calculator).GetMethod("Add")!;
    var dynamicMethod = new DynamicMethod("Add", typeof(int), [typeof(Calculator), typeof(int), typeof(int)]);
    var il = dynamicMethod.GetILGenerator();
    il.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
    il.Emit(OpCodes.Ldarg_1);
    il.Emit(OpCodes.Ldarg_2);

    if (opcode == OpCodes.Call)
    {
        il.Emit(OpCodes.Call, method);
    }
    else if (opcode == OpCodes.Callvirt)
    {
        il.Emit(OpCodes.Callvirt, method);
    }
    else if (opcode == OpCodes.Calli)
    {
        il.Emit(OpCodes.Ldftn, method);
        il.EmitCalli(OpCodes.Calli, CallingConvention.ThisCall, typeof(int), [typeof(Calculator), typeof(int), typeof(int)]);
    }

    il.Emit(OpCodes.Ret);
    return (Func<Calculator, int, int, int>)dynamicMethod.CreateDelegate(typeof(Func<Calculator, int, int, int>));
}

public class Calculator
{
    public virtual int Add(int a, int b) => a + b;
}

演示程序利用指定的三種方法指令創(chuàng)建了對應的Func<Calculator, int, int, int>，然后指定相同的參數（Calculator實例、整數1、2）執(zhí)行它們，我們最終會在控制臺上得到如下的輸出結果。

三、虛方法的分發(fā)（virtual dispatch）

雖然Calculator的Add是個虛方法，由于Call指令執(zhí)行的目標方法在編譯時就確定，Calli則是我們以指針的形式指定了執(zhí)行的方法，不論我們指定的目標對象具體是何類型，執(zhí)行的永遠是定義在Calculator類型的那個Add方法。面向對象“多態(tài)”的能力只能通過CallVirt指令來實現。

var calculator = new FakeCalculator();

var invoker = CreateInvoker(OpCodes.Call);
Console.WriteLine($"1 + 2 = {invoker(calculator, 1, 2)} [Call]");

invoker = CreateInvoker(OpCodes.Callvirt);
Console.WriteLine($"1 + 2 = {invoker(calculator, 1, 2)} [Callvirt]");

invoker = CreateInvoker(OpCodes.Calli);
Console.WriteLine($"1 + 2 = {invoker(calculator, 1, 2)} [Calli]");


public class FakeCalculator : Calculator
{
    public override int Add(int a, int b) => a - b;
}

以如上的程序為例，我們定義了Calculator的派生類FakeCalculator，在重寫的Add方法中執(zhí)行“減法運算”。我們將這個FakeCalculator對象作為參數調用三個委托，會得到如下所示的輸出結果，可以看出CallVirt指令才能得到我們希望的結果。

當我們在使用Calli指令時，由于我們是利用Ldfnt指令指定的定義在Calculator類型中的Add方法，所以起不到“多態(tài)”的作用。如果要實現多態(tài)，我們得按照如下得方式使用Ldvirtfnt，該指令會從提取目標對象（通過執(zhí)行Ldarg_0指令壓入棧中）并解析出對應得方法。

static Func<Calculator, int, int, int> CreateInvoker(OpCode opcode)
{
    var method = typeof(Calculator).GetMethod("Add")!;
    var dynamicMethod = new DynamicMethod("Add", typeof(int), [typeof(Calculator), typeof(int), typeof(int)]);
    var il = dynamicMethod.GetILGenerator();
    il.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
    il.Emit(OpCodes.Ldarg_1);
    il.Emit(OpCodes.Ldarg_2);

    if (opcode == OpCodes.Call)
    {
        il.Emit(OpCodes.Call, method);
    }
    else if (opcode == OpCodes.Callvirt)
    {
        il.Emit(OpCodes.Callvirt, method);
    }
    else if (opcode == OpCodes.Calli)
    {
        il.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
        il.Emit(OpCodes.Ldvirtftn, method);
        il.EmitCalli(OpCodes.Calli, CallingConvention.ThisCall, typeof(int), [typeof(Calculator), typeof(int), typeof(int)]);
    }

    il.Emit(OpCodes.Ret);
    return (Func<Calculator, int, int, int>)dynamicMethod.CreateDelegate(typeof(Func<Calculator, int, int, int>));
}

再次執(zhí)行演示程序，就會得到我們希望得結果：

四、性能差異

既然Call、CallVirt和Calli都是能幫助我們完成方法的執(zhí)行，我們自然會進一步關系它們的性能差異了，為此我們來做一個簡單的性能測試。

BenchmarkRunner.Run<Test>();

public class Test
{
    private static readonly Func<Calculator, int, int, int> _call = CreateInvoker(OpCodes.Call);
    private static readonly Func<Calculator, int, int, int> _callvirt = CreateInvoker(OpCodes.Callvirt);
    private static readonly Func<Calculator, int, int, int> _calli = CreateInvoker(OpCodes.Calli);
    private static readonly Calculator _calculator = new FakeCalculator();

    [Benchmark]
    public int Call() => _call(_calculator, 1, 2);

    [Benchmark]
    public int Callvirt() => _callvirt(_calculator, 1, 2);

    [Benchmark]
    public int Calli() => _calli(_calculator, 1, 2);
}

如上所示的測試程序很簡單，我們調用CreateInvoker方法將針對三種指令的Func<Calculator, int, int, int>委托和目標對象FakeCalculator創(chuàng)建出來，并在三個Benchmark方法中執(zhí)行它們。從如下的測試結果可以看出，Call由于不需要進行”虛方法分發(fā)（Virtual Dispatch）”性能會比Callvirt執(zhí)行好一些，但總體來說差別不大，但是Calli指令調用方法的性能會差很多。

posted @ 2024-08-20 08:46 Artech 閱讀(2957) 評論(21) 收藏舉報

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