结构字段的加载值指令与加载地址指令的效率

Question

考虑以下 C# 结构定义：

public struct A
{
    public B B;
}

public struct B
{
    public int C;
}

还要考虑下面的静态方法：

public static int Method(A a) => a.B.C;

调用此方法将生成结构类型A 的副本。例如，在以下代码中：

A a = default;
Method(a);

对Method 的调用将编译为如下所示的IL：

IL_0008: ldloc.0      // V_0
IL_0009: call         int32 Class::Method(valuetype A)

ldloc 会将局部变量a (V_0) 的值复制到评估堆栈上，该值将用于Method。如果A（或B）是一个大型结构，那么这个副本可能会很昂贵。 Method 的 IL 也会导致加载值指令：

IL_0000: ldarg.0      // a
IL_0001: ldfld        valuetype B A::B
IL_0006: ldfld        int32 B::C
IL_000b: ret

最新版本的 C# 包含有助于更高效地使用结构的功能。 C# 7.2 在参数上引入了in 修饰符，当编译器可以验证参数不会被调用的方法修改时，它可以通过引用传递值类型。例如，将in 修饰符应用于参数a：

public static int Method(in A a) => a.B.C;

将在调用站点生成以下编译的 IL：

IL_0008: ldloca.s     a
IL_000a: call         int32 Class::Method(valuetype A&)

并在执行Method:

IL_0000: ldarg.0      // a
IL_0001: ldflda       valuetype B A::B
IL_0006: ldfld        int32 B::C
IL_000b: ret

注意加载地址指令。我的假设（如果我错了，请纠正我）是对于深场读取（例如读取 C 内部 B 内部 A )，加载地址指令比加载值指令更有效。

考虑到这一点，考虑更改示例代码：

A a = default;
var c = a.B.C;

然后第二行编译为：

IL_0008: ldloc.1      // V_1
IL_0009: ldfld        valuetype B A::B
IL_000e: ldfld        int32 B::C
IL_0013: stloc.0      // c

为什么编译器在这种情况下也不喜欢使用加载地址指令呢？是否仅仅因为a 是局部变量而不是方法参数而存在效率差异，还是我在这里遗漏了其他东西？

Answer 1

这绝对与a 是局部变量还是方法参数无关。至少从效率的角度来看不是。

首先要理解的是，C# 中的结构直接位于（在内存中）它们被声明的位置 - 对于局部变量，直接位于堆栈上。更重要的是 - 嵌套结构的行为相同。 JIT 有可能在运行时的任何时候（并非总是在编译期间，阅读有关StructLayoutAttribute 的更多信息）准确知道B 在A 内部的位置，其中C 在B 内部，而B.C 位于a 内部。

在 JIT 编译方法后查看汇编代码时（在 Release 中编译很重要 - 调试构建不会以相同的方式优化。确保编译器也不会优化变量），你'会看到，无论您在哪里输入 a.B.C，它始终是来自内存的直接分配（相对于 A 在内存中的位置）。

就我而言，我在 A 中添加了另一个变量 int a1 以稍微移动内存 - 这是生成的代码：

A a = 默认值；

xor         ecx,ecx  
mov         qword ptr [rbp-30h],rcx

var c = a.B.C;

mov         esi,dword ptr [rbp-2Ch]

其中 esi 是 var c 的临时寄存器，[rbp-30h] 是 a 在堆栈中的位置。 B 有一个整数位于偏移 0，A 有一个整数位于偏移 0，B 位于偏移 4，所以 a.B.C 的最终地址始终是 a+4 ([rbp-2Ch])。