c# - 为什么编译器发出框指令来比较引用类型的实例？

Question

这是一个简单的泛型类型，它有一个唯一的泛型参数，被限制为引用类型:

class A<T> where T : class
{
    public bool F(T r1, T r2)
    {
        return r1 == r2;
    }
}

csc.exe 生成的 IL 是:

ldarg.1
box        !T
ldarg.2
box        !T
ceq

因此在进行比较之前，每个参数都被装箱。

但是如果约束指示“T”永远不应该是值类型，为什么编译器会尝试装箱 r1 和 r2 ？

Answer 1

生成的IL需要满足可验证性约束。请注意，无法验证 并不一定意味着不正确。只要其安全上下文允许运行无法验证的代码，它就可以在没有 box 指令的情况下正常工作。验证是保守的，并且基于固定的规则集(如可达性)。为了简化事情，他们选择不关心验证算法中是否存在通用类型约束。

Common Language Infrastructure Specification (ECMA-335)

Section 9.11: Constraints on generic parameters

... Constraints on a generic parameter only restrict the types that the generic parameter may be instantiated with. Verification (see Partition III) requires that a field, property or method that a generic parameter is known to provide through meeting a constraint, cannot be directly accessed/called via the generic parameter unless it is first boxed (see Partition III) or the callvirt instruction is prefixed with the constrained prefix instruction. ...

删除 box 指令将导致无法验证的代码:

.method public hidebysig instance bool 
       F(!T r1,
         !T r2) cil managed
{
   ldarg.1
   ldarg.2
   ceq
   ret
}


c:\Users\Mehrdad\Scratch>peverify sc.dll

Microsoft (R) .NET Framework PE Verifier.  Version  4.0.30319.1
Copyright (c) Microsoft Corporation.  All rights reserved.

[IL]: Error: [c:\Users\Mehrdad\Scratch\sc.dll : A`1[T]::F][offset 0x00000002][fo
und (unboxed) 'T'] Non-compatible types on the stack.
1 Error(s) Verifying sc.dll

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更新(对评论的回答): 正如我上面提到的，可验证性不等同于正确性(这里我从类型安全的角度谈论“正确性”)。 可验证程序是正确程序的严格子集(即所有可验证程序都可以证明是正确的，但有些正确程序是不可验证的)。因此，可验证性是比正确性更强的属性。由于 C# 是一种图灵完备的语言，Rice's theorem指出证明程序正确在一般情况下是不可判定的。

让我们回到我的可达性类比，因为它更容易解释。假设您正在设计 C#。考虑过的一件事是何时发出有关无法访问的代码的警告，并在优化器中完全删除那段代码，但是您将如何检测所有无法访问的代码？同样，莱斯定理说你不能对所有程序都这样做。例如:

void Method() {
    while (true) {
    }
    DoSomething();  // unreachable code
}

这是 C# 编译器实际警告的内容。但它不会警告:

bool Condition() {
   return true;
}

void Method() {
   while (Condition()) {
   }
   DoSomething();  // no longer considered unreachable by the C# compiler
}

在后一种情况下，人类可以证明控制流永远不会到达那条线。有人可能会争辩说，编译器可以静态地证明 DoSomething 在这种情况下也是不可访问的，但事实并非如此。为什么？关键是您不能对所有程序都这样做，所以您应该在某个点 划清界线。在此阶段，您必须定义一个 decidable 属性并将其称为“reachability”。例如，对于可达性，C# 坚持使用常量表达式，根本不会查看函数的内容。分析的简单性和设计的一致性是决定界限在哪里的重要目标。

回到我们的可验证性概念，这是一个类似的问题。与正确性不同，可验证性是一种可判定的属性。作为运行时设计者，您必须根据性能考虑、易于实现、易于规范、一致性来决定如何定义可验证性，使编译器能够轻松自信地生成可验证代码。像大多数设计决策一样，它涉及很多权衡。最终，CLI 设计者决定在检查可验证性时，他们更愿意完全不考虑通用约束。