通用方法和非通用方法的性能差异

Question

假设我们举例需要处理不同类型的矩阵线性代数问题，而我们有一个自定义的矩阵类(Matrix class)实现如下:

interface IMatrix
{
    double this[int i, int j] { get; set; }
    int Size { get; }
}

我希望实现矩阵乘法。我之前认为两种方法都可以：

static void Multiply<TMatrix>(TMatrix a, TMatrix b, TMatrix result) where TMatrix : IMatrix

并且

static void Multiply(Matrix a, Matrix b, Matrix result)

（当然，实现类似的情况下）这将在内部生成完全相同的IL代码，因此具有相同的性能表现。但事实并非如此：第一个比第二个慢四倍。从IL代码来看，通用型的代码似乎类似于通过接口进行调用：

static void Multiply(IMatrix a, IMatrix b, IMatrix result)

我错过了什么吗？是否有一种方法可以通过泛型实现与直接调用相同的性能？

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已安装Framework 4.8，目标Framework：4.7.2（也测试过.Net Core 3）

方法实现：

static void Multiply(Matrix a, Matrix b, Matrix result)
{
    for (int i = 0; i < a.Size; i++)
    {
        for (int j = 0; j < a.Size; j++)
        {
            double temp = 0;
            for (int k = 0; k < a.Size; k++)
            {
                temp += a[i, k] * b[k, j];
            }
            result[i, j] = temp;
        }
    }
}

最小可复现示例

- Frédéric Delanchy

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你能否提供一个 [mcve]，其中包含一个完全可执行的示例，两者都包含在内？这样更容易让其他人测试。 - Lasse V. Karlsen

@LasseV.Karlsen 好主意，我已经编辑了问题，并提供了一个最小可重现的示例链接。 - Frédéric Delanchy

不应该，因为可能在内部使用了反射。 - SILENT

在泛型变量中使用索引器访问矩阵元素时，会出现装箱操作，IL 代码会显示 box !!0/*TMatrix*/ 指令。这可能会导致性能下降，因为装箱是一项非常昂贵的操作。但现在无法确定为什么代码会出现装箱情况。 - Pavel Anikhouski

@FrédéricDelanchy，已经有一个线程解释了为什么会对泛型类型参数执行装箱操作。这个原因以及我之前的评论都可能是性能差异的原因。在非泛型变体中没有装箱操作。 - Pavel Anikhouski

@PavelAnikhouski 我忘记说明了，即使我的项目针对4.7.2 .Net Framework，但我计算机上安装的框架是4.8。我在IL中没有看到任何装箱。 - Frédéric Delanchy

Answer 1

.NET只会为所有引用类型生成一次通用方法的代码，而且该代码必须通过IMatrix接口进行调用，因为各种实现类型可能使用不同的方法实现接口。因此，这只是一个接口调用。

但是，如果您将Matrix更改为struct而不是class，JITter将生成特定于类型的通用方法实现，并且在其中接口调用可以被优化掉。

- David Browne - Microsoft

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刚测试了一下：它可以工作。你知道为什么它不能生成引用类型的特定类型实现吗？ - Frédéric Delanchy

这是JIT中的性能权衡。想象一下，如果List<T>为每个类型参数生成不同的代码，会发生什么。 - David Browne - Microsoft