C#编译器不会优化不必要的类型转换。

Question

几天前，在stackoverflow上为这个问题写答案时，我对C#编译器感到有点惊讶，因为它没有按照我预期的那样工作。请看以下两段代码：

第一段：

object[] array = new object[1];

for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
    ICollection<object> col = (ICollection<object>)array;
    col.Contains(null);
}

第二点：

object[] array = new object[1];

for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
    ICollection<object> col = array;
    col.Contains(null);
}

两个代码片段之间唯一的区别在于对ICollection<object>的强制转换。由于object[] 显式地实现了 ICollection<object> 接口，我本以为这两个代码片段会编译成相同的IL代码，从而达到完全相同的效果。然而，在对它们进行性能测试时，我发现后者比前者快了约6倍。

在比较两个代码片段的IL代码后，我发现两种方法是相同的，除了第一个代码片段中的一个castclass指令。

对此感到惊讶，我现在想知道为什么C#编译器在这里不是“聪明”的。事情并不像看起来那么简单，所以为什么C#编译器在这里有点天真呢？

- Steven

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你正在使用哪些编译器选项？ - Richard

以发布模式编译（启用了优化代码）。 - Steven

Answer 1

我的猜测是，您可能发现了优化器中的一个小错误。那里有各种为数组编写的特殊代码。感谢您引起我的注意。

- Eric Lippert

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只有Eric才能发布一篇回答说“哎呀，我们犯了个错误”，并获得10个赞。太好了！;) - Aaronaught

Answer 2

这只是一个粗略的猜测，但我认为它与Array与其通用IEnumerable之间的关系有关。

在.NET Framework 2.0中，Array类实现了System.Collections.Generic.IList、System.Collections.Generic.ICollection和System.Collections.Generic.IEnumerable通用接口。这些实现是在运行时提供给数组的，因此不可见于文档生成工具。因此，在Array类的声明语法中不会出现通用接口，并且没有涉及仅通过将数组强制转换为通用接口类型（显式接口实现）才能访问的接口成员的参考主题。当您将数组强制转换为其中一个这些接口时，需要注意的关键事项是添加、插入或删除元素的成员会抛出NotSupportedException异常。

请参见MSDN文章。

不清楚这是否与.NET 2.0+有关，但在这种特殊情况下，如果表达式只在运行时变为有效，则编译器无法优化您的表达式，这就是为什么不清楚的原因。

- Marcel Jackwerth

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你的猜想并不算太糟，因为这种情况似乎只发生在数组中。当你将 "object[] array = new object[1];" 改成 "Collection<object> array = new Collection<object>();" 时，编译器成功地优化了转换。然而，我并不完全满意，因为虽然文章说“实现是在运行时提供给数组的”，但 C# 编译器实际上知道 T[] 实现了 ICollection<T>。否则，语句 "ICollection<object> col = array;" 就无法编译。我们仍然不知道具体发生了什么。 - Steven

Answer 3

这看起来只是编译器在抑制强制类型转换时错过了机会。如果您像这样编写它，它将起作用：

    ICollection<object> col = array as ICollection<object>;

这表明它会变得过于保守，因为类型转换可能会抛出异常。 但是，当您转换为非泛型ICollection时，它确实有效。 我认为他们只是忽视了它。

这里有一个更大的优化问题，JIT编译器没有应用循环不变量提升优化。 它应该像这样重新编写代码：

object[] array = new object[1];
ICollection<object> col = (ICollection<object>)array;
for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
    col.Contains(null);
}

例如，在C/C++代码生成器中的标准优化。然而，JIT优化器无法花费大量周期来执行发现此类可能优化所需的分析。好消息是，经过优化的托管代码仍然非常易于调试。并且C#程序员仍然有写出高性能代码的角色。

- Hans Passant

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当谈到JIT时，JIT也没有优化强制转换。正如你已经说过的那样，JIT不这样做是很容易解释的：“JIT优化器不能烧掉太多的周期”。 - Steven