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.NET Conf in Tokyo 2019鈴木孝明Inside FastEnum

Name鈴木孝明 a.k.a @xin9leWorkApplication EngineerAwardMicrosoft MVPfor Developer TechnologiesWeb Sitehttps://xin9le.netAbout

Remote Worker @福井空港がない陸の孤島台風 19 号北陸新幹線復旧感謝！

という話をしましたhttps://www.slideshare.net/xin9le/dotnetperformancetips-170268354

狂気に満ちた世界 (その壱https://www.slideshare.net/neuecc/cedec-2018-c-c

狂気に満ちた世界 (その弐https://learning.unity3d.jp/3305/

メモリ消費量-92%スループット+42%

The world fastest Enum (FastEnum)https://github.com/xin9le/FastEnum

System.Enum とほぼ同様の使用感var values = FastEnum.GetValues<Fruits>();var values = Enum.GetValues(typeof(Fruits)) as Fruits[];var names = FastEnum.GetNames<Fruits>();var names = Enum.GetNames(typeof(Fruits));var parse = FastEnum.Parse<Fruits>("Apple");var parse = Enum.Parse<Fruits>("Apple");var defined = FastEnum.IsDefined(Fruits.Lemon);var defined = Enum.IsDefined(typeof(Fruits), Fruits.Lemon);

フィールドの値/名前などを一纏めに値/名前のペアって案外使うのに、ペアを作る処理は地味に面倒Member<T>// フィールド情報public sealed class Member<T>where T : struct, Enum{public T Value { get; }public string Name { get; }public FieldInfo FieldInfo { get; }public EnumMemberAttribute EnumMemberAttribute { get; }}// 超高速で簡単な取得var xs = FastEnum.GetMembers<Fruits>();var x1 = FastEnum.GetMember(Fruits.Apple);var x2 = Fruits.Apple.ToMember();

フィールドに複数の名前を付けられる[EnumMember] だと AllowMultiple = false なので不便Grani 社内で使われていた便利機能のひとつLabel 属性// インデックス指定で取得できるvar a = Fruits.Apple.GetLabel(0); // 🍎var b = Fruits.Apple.GetLabel(1); // りんご// こんな定義があったとしてpublic enum Fruits{[Label("🍎", 0)][Label(“りんご", 1)]Apple,}

速くなったと言われる .NET Core 3.0 なのに、なぜ！Why standard enum is slow?

RuntimeType.GenericCache を使ってるそこまでは良いのだけど、キャッシュの持ち方がよくないulong[] / string[] を持つだけで、それ以上のトリックがない都度 Reflection している箇所もEnum.GetName / Enum.IsDefined などなどキャッシュとは何だったのか...中途半端なキャッシュ

ほぼ必ず object 型を経由するNon Generics な Array とか Enum.ToObject とかを普通に使うulong で持っていたものを有効活用しないとか超クールParse<T> / TryParse<T>はまともSystem.Enum で Generics 版が使えるときは積極的に使う※ .NET Core に限る※ .NET Framework の実装は残念過ぎるBox / Unbox の雨霰

高速化のアプローチとちょっとした工夫Why FastEnum is fast?

Static Type Cachingpublic static class FastEnum{public static IReadOnlyList<T> GetValues<T>()where T : struct, Enum=> Cache<T>.Values; // キャッシュを直接参照// 静的 Generics 型のフィールドにキャッシュを持つprivate static class Cache<T>where T : struct, Enum{public static readonly T[] Values;static Cache()=> Values = (T[])Enum.GetValues(typeof(T));}}T 型ごとに別の型扱い

呼び出しコスト ≒ 0型をキーにした辞書から Lookup するよりもずっと速いBenchmarkDotNet が「計測できない」と音を上げるレベル静的コンストラクタで事前計算静的コンストラクタはスレッドセーフが保証されているロックフリーにできるので、呼び出しコスト低減に大きく寄与Static Type Caching

Non Generics API は box 化を避けられないGenerics API だけでも大抵のケースに耐えられるGenerics API のみをサポート// .NET Core (Box 化する)var a = Enum.GetValues(typeof(Fruits));var b = Enum.GetName(typeof(Fruits), Fruits.Banana);var c = (Fruits)Enum.Parse(typeof(Fruits), "Apple");var d = Enum.IsDefined(typeof(Fruits), Fruits.Lemon);// FastEnum (一切 Box 化しない)var a = FastEnum.GetValues<Fruits>();var b = FastEnum.GetName(Fruits.Banana);var c = FastEnum.Parse<Fruits>("Apple");var d = FastEnum.IsDefined(Fruits.Lemon);

[Flags] な列挙型を Parse する機能カンマが入っているかどうかを算出するコストが大きい滅多に使わない機能を落として大多数を救う方が理に適っているカンマ区切り文字列は非サポート// こんな定義があるとき[Flags]enum Fruits{Apple = 1,Lemon = 2,Melon = 4,}// System.Enum はカンマ区切り文字を Parse できるvar value = Enum.Parse<Fruits>("Apple, Melon");Console.WriteLine((int)value); // 5

列挙型の値の連続性を利用値が連続しているなら最大/最小範囲に入っているかを比較辞書の ContainsKey をするより範囲チェックの方が何倍も高速IsDefined<T>(value); の最適化// 連続した値の列挙型enum Fruits{Apple = 1,Lemon, // 2Melon, // 3Banana, // 4}// こんな感じのイメージで判定すると速い// 連続しているかどうかは事前に判定してキャッシュpublic static bool IsDefined<T>(T value)where T : struct, Enum=> IsContinuous? MinValue <= value && value <= MaxValue: Values.ContainsKey(value);

“123”, “Apple” をどう判別/解析するか「1 文字目が数字か +/-」の場合は値で解析するParse<T>(“value/name”); の最適化public static bool TryParse<T>(string value, out T result)where T : struct, Enum{// フィールド名は数字/特殊記号で始められない仕様を利用return IsNumeric(value[0])? TryParseByValue(value, out result): TryParseByName(value, out result);static bool IsNumeric(char c)=> char.IsDigit(c) || c == '-' || c == '+';}

string.Equals(OrdinalIgnoreCase) が最速StringComparison.InvariantCultureIgnoreCase より 4 倍速い大小無視の文字列比較

キーの特殊化で EqualityComparer を廃止GetHashCode(); と Equals(); を直呼び出しにするハックhttp://engineering.grani.jp/entry/2017/07/28/145035温もりティ溢れる手作り辞書// 正味たった 2 行だけの違い// 最終的にこの差がベンチマークに効いてくるvar hash = EqualityComparer<int>.Default.GetHashCode(key);var hash = key.GetHashCode(); // fasterif (EqualityComparer<TKey>.Default.Equals(next.Key, key))if (next.Key == key) // faster

他にもある細々したテクニックとかポイントOther tips and tricks

列挙型を等値/大小で比較する// 具象型の場合はできるけれど...public static void Compare(Fruits left, Fruits right){var a = left == right; // OKvar b = left <= right; // OK}// Enum 制約をしていても Generics 型だとできない！public static void Compare<T>(T left, T right)where T : struct, Enum{var a = left == right; // コンパイルエラーvar b = left <= right; // コンパイルエラーvar c = EqualityComparer<T>.Default.Equals(left, right); // OK}なんとか解決したい

System.Runtime.CompilerServices.Unsafeunsafe オプションを使わずに unsafe なことをする悪い子😈Unsafe.As を使った強制型変換public static void Compare<T>(T left, T right)where T : struct, Enum{// ref を使った型変換 = 同一メモリ領域を別の型として参照ref var l = ref Unsafe.As<T, int>(ref left);ref var r = ref Unsafe.As<T, int>(ref right);var a = l == r; // OKvar b = l <= r; // OK}

UnderlyingType の TryParse に委譲同一メモリ領域を参照した強制型変換なので、できちゃう😈Unsafe.As のちょっとズルい使い方internal sealed class Int32Operation<T> : IUnderlyingOperation<T>where T : struct, Enum{public bool TryParse(string text, out T result){// x に書き込めば result にも書き込まれたことになるresult = default;ref var x = ref Unsafe.As<T, int>(ref result);return int.TryParse(text, out x);}}

FastEnum が唯一勝てなかったメソッド引数が Enum なので呼び出すだけで box 化して超遅そうだが…自作したものより 200 倍以上高速でアロケーションもない// 特殊な最適化がかかってる (たぶん[Intrinsic]public bool HasFlag(Enum flag){}Enum.HasFlag の脅威的性能

ReadOnlyCollection は foreach が超遅いStruct Enumerator を利用した配列の読み取り専用 wrapper で解決https://ufcpp.net/blog/2018/12/howtoenumerate/ReadOnlyArraypublic sealed class ReadOnlyArray<T> : IReadOnlyList<T>{private readonly T[] source;public ReadOnlyArray(T[] source) => this.source = source;public Enumerator GetEnumerator() => new Enumerator(this.source);public struct Enumerator : IEnumerator<T> { /* 省略 */ }// 以下略...}

今日、これだけは持って帰りましょう！Conclusion

速さは正義ちょっとした工夫で案外メチャクチャ速くなる！速いコードを書くひとつの参考になれば幸いです本当は FastEnum は存在しない方が良い標準が速ければ最高だし、そうあってほしい.NET Core 頑張れFastEnum is SUPER fast !!

Enjoy high performance programming using C#!!Thank you

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