前言
前几天在.NET性能优化群里面,有群友聊到了.NET8新增的一个特性,这个类叫UnsafeAccessor
,有很多群友都不知道这个特性是干嘛的,所以我就想写一篇文章来带大家了解一下这个特性。
其实在很早之前我就有关注到这个特殊的特性,但是当时.NET8还没有正式发布,所以我也没有写文章,现在.NET8已经RC了,很快就会发布正式版,而且刚好有了一些时间,所以也可以带大家了解一下这个新的特性。
由于篇幅原因,这篇文章会分为上下两篇,其中上篇会带大家了解UnsafeAccessor
是干嘛的,有哪些用法,下篇会带大家了解UnsafeAccessor
的性能比较以及它的实现原理。
首先在我们了解这个类之前要假设一个场景,在很多时候我们都会遇到这样的场景,就是我们需要在一个类中访问另外一个类的私有成员,比如有如下代码:
var a = new A();
Console.WriteLine(a._value);
public class A
{
private int _value = 10;
}
在上面的代码中,我们在类B
中访问了类A
的私有成员_value
,这种情况在我们的实际开发中是很常见的,但是在.NET中是不允许的,因为私有成员是不允许被外部访问的,所以我们在类B
中是不能访问类A
的私有成员_value
的,但是在实际的开发中,我们有时候确实需要访问类A
的私有成员_value
,这个时候我们该怎么办呢?下面我们来看一下如何访问私有成员。
.NET8以前的解决方案
在.NET8之前,我们可以通过如下的几种方法来访问私有成员,分别是反射、Emit、Expression,下面我们分别来看一下这几种方法。
反射
在.NET中,有一种叫反射的技术,这个对于任何一个.NET开发工程师应该都不陌生,我们可以通过反射来访问程序集的元数据信息,调用方法,访问字段等等,所以可以通过反射来访问私有成员,比如下面的代码我们可以通过反射来访问私有成员,如下所示:
var a = new A();
// 反射访问私有成员
var value = typeof(A).GetField("_value", BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Instance).GetValue(a);
Console.WriteLine(value);
public class A
{
private int _value = 10;
}
在上面的代码中,我们通过反射来访问了类A
的私有成员_value
,这样就可以访问到了,但是这种方式有一个缺点,就是性能比较差,因为反射是通过查找元数据和临时调用来实现的,所以性能比较差。在实际的开发中,我们一般不会使用反射来访问私有成员。
Emit
Emit 是 .NET 提供的一种动态生成和编译代码的技术。通过 Emit,我们可以动态生成一个新的方法,这个方法可以直接访问私有成员,这样就避免了反射的性能问题。以下是一个使用 Emit 访问私有成员的例子:
var a = new A();
// 创建一个动态方法,签名为 int GetValue(A a)
var method = new DynamicMethod("GetValue", typeof(int), new Type[] { typeof(A) }, typeof(A));
// 获取方法的 ILGenerator,通过 Emit 生成方法体
var il = method.GetILGenerator();
// 将参数 a 的私有成员 _value 压入堆栈
il.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
// 将私有成员 _value 压入堆栈
il.Emit(OpCodes.Ldfld, typeof(A).GetField("_value", BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Instance));
// 返回栈顶的值
il.Emit(OpCodes.Ret);
// 通过 Emit 创建的方法,可以直接访问私有成员 _value
var func = (Func<A, int>)method.CreateDelegate(typeof(Func<A, int>));
// 调用方法
var value = func(a);
Console.WriteLine(value);
public class A
{
private int _value = 10;
}
在上面的代码中,我们通过 Emit 创建了一个新的方法,这个方法可以直接访问类 A 的私有成员 _value。这种方法的性能比反射好很多,但是代码比较复杂,不易于维护。
Expression
Expression 是 .NET 提供的一种表达式树的技术。通过 Expression,我们可以创建一个表达式树,然后编译这个表达式树,生成一个可以访问私有成员的方法。以下是一个使用 Expression 访问私有成员的例子:
var a = new A();
// 创建一个表达式树,访问私有成员 _value
var parameter = Expression.Parameter(typeof(A), "x");
// 访问私有成员 _value
var field = Expression.Field(parameter, typeof(A).GetField("_value", BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Instance));
// 编译表达式树,生成一个可以访问私有成员 _value 的方法
var lambda = Expression.Lambda<Func<A, int>>(field, parameter);
// 调用方法
var func = lambda.Compile();
var value = func(a);
Console.WriteLine(value);
public class A
{
private int _value = 10;
}
在上面的代码中,我们通过 Expression 创建了一个表达式树,然后编译这个表达式树,生成了一个可以访问类 A 的私有成员 _value 的方法。这种方法的性能比反射好,代码也相对简单,但是仍然比直接访问复杂。
.NET8的解决方案
我想很多聪明的小伙伴都已经猜到了,在.NET8中新增的UnsafeAccessor
就是用来访问私有成员的,我们可以通过UnsafeAccessor
来访问私有成员,下面我们来看一下如何使用UnsafeAccessor
来访问私有成员。
私有字段
using System.Runtime.CompilerServices;
[UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Field, Name = "_value")]
static extern ref int GetValue(A a);
var a = new A();
var value = GetValue(a);
Console.WriteLine(value);
public class A
{
private int _value = 10;
}
首先我们需要引入System.Runtime.CompilerServices
这个命名空间,然后定义一个staic extern ref
方法,这个方法的返回值类型是字段的类型,然后它的参数就是对应实例的类型。在方法上面我们需要添加一个UnsafeAccessor
特性,这个特性有一个参数UnsafeAccessorKind
,这个参数表示我们要访问的是什么类型的私有成员,比如字段、属性、方法等等,这里我们要访问的是字段,所以我们传入的是UnsafeAccessorKind.Field
,然后我们还需要指定要访问的字段的名称,这里我们要访问的是_value
字段,所以我们传入的是Name = "_value"
,这样我们就可以通过UnsafeAccessor
来访问私有成员了。
来看一下运行的结果,可以看到和我们预期的一样输出了10
。
因为它是返回了ref
的引用,所以我们可以通过这个引用来修改私有成员的值,比如我们修改一下_value
的值,如下所示:
using System.Runtime.CompilerServices;
[UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Field, Name = "_value")]
static extern ref int ValueAccessor(A a);
var a = new A();
ref var value = ref ValueAccessor(a);
Console.WriteLine(value);
value = 20;
Console.WriteLine(ValueAccessor(a));
public class A
{
private int _value = 10;
}
来看一下运行的结果,可以看到我们修改了_value
的值,第二次输出的时候就变成了20
。
私有构造方法
同样的,使用UnsafeAccessor
我们也可以访问类中的私有构造方法和私有的方法,我们可以看到UnsafeAccessor
有一个参数UnsafeAccessorKind
,这个参数表示我们要访问的是什么类型的私有成员,比如字段、属性、方法等等,下方是它的定义:
private enum UnsafeAccessorKind
{
Constructor,
Method,
StaticMethod,
Field,
StaticField
};
先来看一下如何访问私有构造方法,如下所示:
using System.Runtime.CompilerServices;
[UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Constructor)]
static extern A CreateA(int value);
var a = CreateA(10);
Console.WriteLine(a.Value);
public class A
{
public readonly int Value;
private A(int value)
{
Value = value;
}
}
在上面的代码中,我们通过UnsafeAccessor
访问了类A
的私有构造方法,这个私有构造方法的参数是int
类型的,我们可以看到我们通过UnsafeAccessor
访问了私有构造方法,然后创建了一个A
的实例,然后输出了Value
的值,可以看到输出的结果是10
,这样我们就可以通过UnsafeAccessor
来访问私有构造方法了。
私有属性
由于属性是语法糖,编译器会自动为我们生成一个get
和set
方法,比如public int Value {get; set;}
,就会自动生成一个get_Value
和set_Value
方法,我这里就不单独对访问私有方法进行演示,直接演示访问私有属性,它和访问私有方法是一样的,如下所示:
using System.Runtime.CompilerServices;
[UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Method, Name = "get_Value")]
static extern int GetValue(A a);
[UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Method, Name = "set_Value")]
static extern void SetValue(A a, int value);
var a = new A();
SetValue(a, 10);
Console.WriteLine(GetValue(a));
public class A
{
public int Value { get; set; }
}
在上面的代码中,我们通过UnsafeAccessor
访问了类A
的私有属性Value
,这个私有属性有get
和set
方法,我们通过UnsafeAccessor
访问了get
和set
方法,然后我们就可以访问私有属性了,这样我们就可以通过UnsafeAccessor
来访问私有属性了。
局限性
当然,现在使用UnsafeAccessor
还有一些局限性,大家在使用的过程中需要注意一下。
通用泛型
比如现阶段它不支持通用泛型,像下面这样的代码是不支持的:
[UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Field, Name="_myList")]
static extern ref List<T> Field<T>(MyClass<T> _this);
但是现在可以写成下方这样的代码:
[UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Field, Name="_myList")]
static extern ref List<string> StringField(MyClass<string> _this);
[UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Field, Name="_myList")]
static extern ref List<double> DoubleField(MyClass<double> _this);
不过这会在.NET9中解决,有兴趣的小伙伴可以关注下方的链接:
https://github.com/dotnet/runtime/issues/89439
私有类型
比如有下面这样的一个示例代码:
// Assembly A
private class C
{
private static int Method(int a) { ... }
}
// Assembly B
[UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.StaticMethod, Name="Method")]
static extern int CallMethod(??? c, int a);
这里的问题是,我们不知道如何定义CallMethod
的第一个参数,因为C
是私有的,我们无法在CallMethod
的入参中定义它。
静态类
比如有下面这样的一个示例代码:
// Assembly A
public static class C
{
private static int Method(int a) { ... }
}
// Assembly B
[UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.StaticMethod, Name="Method")]
static extern int CallMethod(??? c, int a);
这里的问题是,我们无法在B
中定义CallMethod
的第一个参数,因为C
是静态的,我们无法在CallMethod
的入参中定义它。
私有类参数
比如有下面这样的一个示例代码:
// Assembly A
public class C
{
private class D { }
private static int Method(D d) { ... }
}
// Assembly B
[UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.StaticMethod, Name="Method")]
static extern int CallMethod(??? d); // Unable express D type as a parameter.
这里的问题是,我们无法在B
中定义CallMethod
的入参,因为D
是私有的,我们无法在CallMethod
的入参中定义它。包括目前还有私有返回值参数也是无法定义的。
但是这些问题在.NET9中也会解决,有兴趣的小伙伴可以关注下方的链接:
https://github.com/dotnet/runtime/issues/90081
总结
在本文中,首先介绍了在.NET8之前访问私有成员的几种方法,包括反射、Emit、和Expression。这些方法虽然可以实现访问私有成员,但是各有其优缺点,例如反射性能较差,Emit和Expression代码复杂度较高。
随后,我们详细介绍了.NET8新增的特性UnsafeAccessor
,这是一种更方便、更高效的访问私有成员的方法。我们通过实例代码演示了如何使用UnsafeAccessor
访问私有成员,包括私有字段、私有构造方法和私有属性。并且,UnsafeAccessor
还支持修改私有成员的值。
然而,UnsafeAccessor
目前还存在一些局限性,例如不支持通用泛型,无法访问私有类型、静态类和私有类参数。但是,这些问题预计在.NET9中将得到解决。
总的来说,UnsafeAccessor
为.NET开发者提供了一个新的工具,使我们能够更方便、更高效地访问私有成员。虽然当前还存在一些局限性,但随着.NET的不断发展和进步,我们有理由相信这些问题将会得到解决。同时,我们也期待.NET在未来能够提供更多的功能和特性,以满足我们日益增长的开发需求。
.NET性能优化交流群
相信大家在开发中经常会遇到一些性能问题,苦于没有有效的工具去发现性能瓶颈,或者是发现瓶颈以后不知道该如何优化。之前一直有读者朋友询问有没有技术交流群,但是由于各种原因一直都没创建,现在很高兴的在这里宣布,我创建了一个专门交流.NET性能优化经验的群组,主题包括但不限于:
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希望能有更多志同道合朋友加入,分享一些工作中遇到的.NET性能问题和宝贵的性能分析优化经验。目前一群已满,现在开放二群。
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