知秋一叶

The need for Constraints
  C++将Generic Programming（泛型编程）的概念发挥得淋漓尽致。作为C++唯一的标准库，STL主要是应用Template，而不是面向对象的继承机制来实现的。很自然的，我们会把CLR和C++的Generic实现进行对比。Constraint是CLR在实现Generic时独有的概念，而且Constraint的使用也确实对CLR Generics在功能和性能方面有些负面影响。So, Why do we need constraints?
  CLR和C++在模板实例化采用了不同的策略：C++主要是编译期间实例化模板，也就是说当编译器看到程序中引用了vector<int>的时候，它就会用int代换vector<typename T>中的T，生成一份vector<int>的代码到目标文件，这样做有几个问题：1) 代码冗余。如果在不同的.cpp文件中引用了vector<int>，那么每个编译产生的.obj都会包含vector<int>代码的一个拷贝。Link.exe必须能够正确处理这种特殊情况才能避免代码冗余。2) 由于实例化发生在编译期间，即使vector<int>仅在一个极少被调用的code path上被使用，它的实例化代码也会自始至终占据一块内存。3) 缺乏动态泛型支持（C++本身没有完整地Runtime的类型支持，并且不建议使用RTTI，所以这是和Generic一致的；但是如果向C#/Java这样本身支持Reflection的语言不支持Generics Reflection，就显得有些怪异了）。
  CLR选择了在Runtime动态实例化模板。编译器可以在没有泛型参数的情况下编译生成List<T>的扩展MSIL指令；在运行时刻，程序代码中第一次引用List<int>的时候，CLR才动态的使用int类型实例化List<T>，并且生成实例化的代码（实际上只有新的ValueType才会引发模板实例化，ReferenceType共享一个实例化的模板代码），这就解决了上面提到的两个问题。由于CLR完全理解Generic语义，就可以在Reflection当中添加Generic支持，第三个问题也迎刃而解。
  但CLR的实现方法也带来了新的问题：如果作为实例化参数的类不能满足Generic Type的要求（这些要求多种多样，可能是具有某个方法，某个操作符重载等等），实例化失败将会导致运行时错误，而不是像C++那样的编译连接错误。我们总是希望在编译期间检查出尽可能多的错误，但是显然不可能让C#编译器逐行检查Generic Type的MSIL指令来判断泛型参数是否符合要求（E.g. 如果Generic Type包含一条MSIL: call 0!.SomeMethod()，那么T必须定义SomeMethod)。折衷的方案是在Generic Type的MetaData里面显式的指明它对泛型参数的要求，这就是Constraint了。所以Constraint实际上是Generic Type对泛型参数要求的MetaData表示，其目的是帮助编译器尽早验证参数的合法性。
 
So, Constraint By Signature or By Type?
  Constraint在实现可以选择两种不同的语义，一是By Signature，C++实际上隐含了这种语义。例如：类型参数T必须定义一个返回bool，接受一个T类型参数的CompareTo函数；或者T必须重载operator+，等等。这种方式的优点很明显--灵活性大，我们可以自由表述对泛型参数的各种要求；它的缺点是需要非常复杂的Constraint语法（C++不需要显式指出Constraint）。另一种方式是By Type，指出泛型参数必须从某个类继承，或者实现某个接口，还是上面的例子，我们可以说T必须实现IComparable<T>这个接口。这是C#/.NET采用的方式，语法上看非常简单，和普通的类继承/接口实现非常相似；但是表达能力就不如By Signature的方法，像operator overload这些不能用接口描述的语义就很难表达了。
  Anders Hejlsberg在一篇专访当中谈到过C++和C#（实际上是CLR）在Generic实现上的异同，也分析了By Type Constraint的一些限制。

The Performance Implication of Constraint
  采用这种By Type的Constraint的确对Generic的性能有一些负面影响。例如：
    1) 由于Constraint必须采用interface，Value Type Object必须先Box，然后调用Constraint方法。如果采用By Signature，这个Box/Unbox操作应该可以避免。
    2) 我们分析过interface method call比direct method call 或者virtual method call要慢，采用Interface based Constraint即使对reference type也会造成interface call overhead。
  我在去年的MVP Summit上曾经问到过Constraint对Generics Performance的影响。我相信如果在JIT这个层次引入相应的Heuristic，上面的一些性能影响应该是可以被最小化的。当然，无论如何，采用Template + Constraint的List、HashTable始终要比使用Object的版本性能要优越些。

打印 | 张贴于 2004-04-13 10:40:00 | Tag:.NET