c# - CLR 中 castclass 操作码的用途是什么？

Question

我遇到了 castclass 操作码，它在 Standard ECMA - 335, III.4.3 中定义。我写了几个使用 callvirt 操作码的例子，有转换和没有转换。事实证明，castclass 操作码对性能有很大影响。

为了测试，我使用了以下“粗略”(就方法执行的不精确时间而言)程序(由 msvc 2015 在 Release 模式 中编译):

public class Program
{
    public interface IShow {  string show(); }
    public class ObjectWithShow : IShow 
    { 
        public string show() => "Hello, that's the show method."; 
    }
    // Such functions remains unchanged
    public static string showWithCast(object o) => ((IShow)o).show();
    public static string show(IShow o) => o.show();
    // Such function will be patched later
    public static string showWithoutCast(object o) => ((IShow)o).show();

    public static void Main()
    {
        int N = 10000000;
        var show_object = new ObjectWithShow();
        {

           var watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
            for (int i = 0; i < N; ++i)
            {
                showWithCast(show_object);
            }
            watch.Stop();
            Console.WriteLine($"With cast {watch.ElapsedMilliseconds}");
        }
        {

            var watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
            for (int i = 0; i < N; ++i)
            {
                showWithoutCast(show_object);
            }
            watch.Stop();
            Console.WriteLine($"Without cast {watch.ElapsedMilliseconds}");
        }
        {

            var watch = System.Diagnostics.Stopwatch.StartNew();
            for (int i = 0; i < N; ++i)
            {
                show(show_object);
            }
            watch.Stop();
            Console.WriteLine($"Without cast {watch.ElapsedMilliseconds}");
        }
    }
}

这里是 show/showWitCast 函数的 IL 代码:

.method public hidebysig static string show (class IShow o) cil managed 
{
    .maxstack 8
    IL_0000: ldarg.0
    IL_0001: callvirt instance string IShow::show()
    IL_0006: ret
} // end of method Program::show


.method public hidebysig static string showWithCast (object o) cil managed 
{
    .maxstack 8
    IL_0000: ldarg.0
    IL_0001: castclass IShow
    IL_0006: callvirt instance string IShow::show()
    IL_000b: ret
} // end of method Program::showWithCast

这是 showWithoutCast 的代码(注意:我通过在 IL 编辑器中删除 castclass IShow 来修补它。原始版本与 showWithCast)

.method public hidebysig static string showWithoutCast (object o) cil managed 
{

    .maxstack 8

    IL_0000: ldarg.0
    IL_0001: callvirt instance string IShow::show()
    IL_0006: ret
} // end of method Program::showWithoutCast

执行结果(i7-3370 CPU@3.40GHz, 8GB RAM)显示如下结果:

With cast 46

Without cast 24

Without cast 23

事实证明，在没有 castclass 的对象上 callvirt 显示的结果与我们使用接口(interface)实例的结果几乎相同。那么，castclass 的目的是什么？我猜 c# compiler 发出这样的代码是为了确保 callvirt 操作码不会用于不正确的类型(因为它无法在编译时执行此类检查)。所以，接下来的问题 - 它是否是一致的 CIL 代码，我有意在某些地方删除了 castclass 的使用，我保证该方法将仅用于实现 的类型我显示?

附言当然，你可能会问，是不是应该使用show方法？但有些情况下，无法使用此类功能。简而言之，我动态生成代码，我想实现泛型容器(它继承了IShow)，但是它的泛型参数可以选择性地实现接口(interface)IShow。如果泛型参数没有实现接口(interface)(比如是int)，那么我保证不会使用容器的show方法。

Answer 1

所有 callvirt instance string IShow::show指令调用相同的 stub ，跳转到 lookup stub与接口(interface)方法相关联。查找 stub 将根据接收调用的对象的类型解析要调用的方法。在这种情况下，对象确实实现了 IShow ，所以如您所见，一切正常。但是，如果您传递一个未实现 IShow 的对象, 查找 stub 将找不到 IShow::show在对象的方法表中，因此类型为 EntryPointNotFoundException 的异常被抛出。

IL 虚拟机的评估堆栈包含类型为 object 的对象当时callvirt指令被执行。目标方法是 IShow::show() .根据 CLI 规范第 III.4.2 节，类型 object需要验证者可分配给 IShow为了使 IL 代码可验证。 castclass使代码可验证。在这种情况下，由于代码是完全可信的，验证会自动跳过，因此不会抛出验证异常，方法会得到 JIT 编译和执行。

从技术上讲，在这种情况下，showWithoutCast不包含任何应导致 EntryPointNotFoundException 类型异常的 IL 指令按照规范抛出。但是，由于代码不可验证，标准的第 II.3 节规定在验证失败的情况下行为是未指定的。也就是说，实现不需要记录发生的行为。另一方面，可验证代码的行为是指定的并且castclass使验证成功。

请注意，当您在您的机器上本地构建 IL 代码并运行它时，它会自动被视为完全可信。因此 JIT 编译器不会验证任何方法。