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@abetakahiro123

【C# .NET 10 Preview 1】値型の配列をスタックに作成する最適化の検証

Last updated at Posted at 2025-03-10

はじめに

今回は、前回の .NET 10 Preview 1 の新機能紹介記事 の、機能別の検証です。

個人的にとてもホットな新機能 Stack Allocation of Arrays of Value Types を深堀りしてみます。
（↓ の配列がヒープではなくスタックに作成されるという最適化）

int[] numbers = {1, 2, 3};
int sum = 0;

for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
{
    sum += numbers[i];
}

Console.WriteLine(sum);

サンプルコード

テストコード 
public class __StackAllocationOfArraysOfValueTypesTest
{
    static void Dummy(Performance p)
    {
        p.AddTest("Dummy", () => { });
    }

    static void FixedArray(Performance p)
    {
        p.AddTest("{ 1, 2, 3 }", () =>
        {
            int[] numbers = { 1, 2, 3 };
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });

        p.AddTest("{ \"1\", \"2\", \"3\" }", () =>
        {
            string[] numbers = { "1", "2", "3" };
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i].Length;
        });

        p.AddTest("[1, 2, 3]", () =>
        {
            ReadOnlySpan<int> numbers = [1, 2, 3];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });

        p.AddTest("[\"1\", \"2\", \"3\"]", () =>
        {
            ReadOnlySpan<string> numbers = ["1", "2", "3"];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i].Length;
        });

        p.AddTest("stackalloc { 1, 2, 3 }", () =>
        {
            var numbers = (stackalloc int[] { 1, 2, 3 });
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });
    }

    static void Array(Performance p)
    {
        var length = 3;
        p.AddTest("int[3]", () =>
        {
            int[] numbers = new int[length];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });

        p.AddTest("string[3]", () =>
        {
            string[] numbers = new string[length];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i]?.Length ?? 0;
        });

        p.AddTest("stackalloc[3]", () =>
        {
            var numbers = (stackalloc int[length]);
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });
    }

    static void ConstArray(Performance p)
    {
        const int Length = 3;
        p.AddTest("int[3]", () =>
        {
            int[] numbers = new int[Length];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });

        p.AddTest("string[3]", () =>
        {
            string[] numbers = new string[Length];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i]?.Length ?? 0;
        });

        p.AddTest("stackalloc[3]", () =>
        {
            var numbers = (stackalloc int[Length]);
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });
    }

    static void StructType(Performance p)
    {
        const int Length = 3;
        p.AddTest("(int, int)[3]", () =>
        {
            (int, int)[] numbers = new (int, int)[Length];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i].Item1;
        });

        p.AddTest("(string, int)[3]", () =>
        {
            (string, int)[] numbers = new (string, int)[Length];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i].Item1?.Length ?? 0;
        });
    }

    static void LongArray(Performance p)
    {
        p.AddTest("int[130]", () =>
        {
            int[] numbers = new int[130];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });

        p.AddTest("int[131]", () =>
        {
            int[] numbers = new int[131];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });

        p.AddTest("decimal[32]", () =>
        {
            decimal[] numbers = new decimal[32];
            decimal sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });

        p.AddTest("decimal[33]", () =>
        {
            decimal[] numbers = new decimal[33];
            decimal sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });

        p.AddTest("byte[1000]", () =>
        {
            byte[] numbers = new byte[1000];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });

        p.AddTest("sbyte[1000]", () =>
        {
            sbyte[] numbers = new sbyte[1000];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i];
        });

        p.AddTest("bool[1000]", () =>
        {
            bool[] numbers = new bool[1000];
            int sum = 0;

            for (int i = 0; i < numbers.Length; i++)
                sum += numbers[i] ? 1 : 0;
        });
    }
}

パフォーマンステスト

Test Score % CG0
FixedArray (5)
{ 1, 2, 3 } 1,841,566 100.0% 0
{ "1", "2", "3" } 1,668,437 90.6% 7
[1, 2, 3] 2,076,832 112.8% 0
["1", "2", "3"] 2,213,023 120.2% 0
stackalloc { 1, 2, 3 } 2,039,720 110.8% 0
Array (3)
int[3] 2,164,137 100.0% 9
string[3] 2,153,380 99.5% 9
stackalloc[3] 2,218,186 102.5% 0
ConstArray (3)
int[3] 2,281,755 100.0% 0
string[3] 2,137,546 93.7% 9
stackalloc[3] 2,155,951 94.5% 0
StructType (2)
(int, int)[3] 2,289,387 100.0% 0
(string, int)[3] 2,132,836 93.2% 14
LongArray (7)
int[130] 1,403,012 100.0% 0
int[131] 1,183,399 84.3% 121
decimal[32] 365,495 26.1% 0
decimal[33] 368,396 26.3% 38
byte[1000] 374,644 26.7% 0
sbyte[1000] 369,878 26.4% 0
bool[1000] 361,073 25.7% 0

実行環境: Windows11 x86 .NET Runtime 10.0.0
Score は高いほどパフォーマンスがよいです。
GC0 はガベージコレクション回数を表します（少ないほどパフォーマンスがよい）。

.NET 10 x64
Test Score % CG0
FixedArray (5)
{ 1, 2, 3 } 831,579 100.0% 11
{ "1", "2", "3" } 1,903,785 228.9% 10
[1, 2, 3] 2,010,833 241.8% 0
["1", "2", "3"] 1,942,311 233.6% 0
stackalloc { 1, 2, 3 } 2,873,128 345.5% 0
Array (3)
int[3] 2,287,125 100.0% 10
string[3] 2,194,877 96.0% 12
stackalloc[3] 3,048,620 133.3% 0
ConstArray (3)
int[3] 2,293,999 100.0% 10
string[3] 2,145,233 93.5% 12
stackalloc[3] 3,087,762 134.6% 0
StructType (2)
(int, int)[3] 2,271,749 100.0% 13
(string, int)[3] 2,078,791 91.5% 17
LongArray (7)
int[130] 218,416 100.0% 14
int[131] 216,775 99.2% 14
decimal[32] 267,562 122.5% 17
decimal[33] 259,411 118.8% 17
byte[1000] 28,361 13.0% 3
sbyte[1000] 28,336 13.0% 3
bool[1000] 28,390 13.0% 3

実行環境: Windows11 x64 .NET Runtime 10.0.0

.NET 9 x86
Test Score % CG0
FixedArray (5)
{ 1, 2, 3 } 1,749,954 100.0% 8
{ "1", "2", "3" } 1,666,842 95.3% 7
[1, 2, 3] 2,186,218 124.9% 0
["1", "2", "3"] 2,149,135 122.8% 0
stackalloc { 1, 2, 3 } 2,110,043 120.6% 0
Array (3)
int[3] 2,112,894 100.0% 9
string[3] 2,203,934 104.3% 10
stackalloc[3] 2,194,432 103.9% 0
ConstArray (3)
int[3] 2,162,979 100.0% 9
string[3] 2,166,691 100.2% 9
stackalloc[3] 2,124,667 98.2% 0
StructType (2)
(int, int)[3] 2,147,604 100.0% 14
(string, int)[3] 2,156,154 100.4% 14
LongArray (7)
int[130] 1,175,389 100.0% 119
int[131] 1,173,133 99.8% 120
decimal[32] 363,854 31.0% 36
decimal[33] 370,696 31.5% 38
byte[1000] 369,373 31.4% 0
sbyte[1000] 364,194 31.0% 0
bool[1000] 363,858 31.0% 0

実行環境: Windows11 x86 .NET Runtime 9.0.0

.NET 9 x64
Test Score % CG0
FixedArray (5)
{ 1, 2, 3 } 582,161 100.0% 7
{ "1", "2", "3" } 1,736,927 298.4% 9
[1, 2, 3] 1,817,891 312.3% 0
["1", "2", "3"] 1,676,433 288.0% 0
stackalloc { 1, 2, 3 } 2,411,426 414.2% 0
Array (3)
int[3] 2,128,744 100.0% 10
string[3] 1,882,225 88.4% 10
stackalloc[3] 2,919,083 137.1% 0
ConstArray (3)
int[3] 2,135,884 100.0% 10
string[3] 1,905,708 89.2% 10
stackalloc[3] 2,981,939 139.6% 0
StructType (2)
(int, int)[3] 2,127,896 100.0% 12
(string, int)[3] 1,920,627 90.3% 16
LongArray (7)
int[130] 201,729 100.0% 13
int[131] 199,879 99.1% 13
decimal[32] 249,680 123.8% 16
decimal[33] 241,638 119.8% 15
byte[1000] 26,665 13.2% 3
sbyte[1000] 26,273 13.0% 3
bool[1000] 25,963 12.9% 3

実行環境: Windows11 x64 .NET Runtime 9.0.0

わかったこと

Preview 1 時点の結果です（重要）。今後変更になる可能性が高いです。

値型の種類 x86 x64
unmanaged ◯ ✕
managed ✕ ✕
  • x86 でしか最適化がかからない
    • 手元の環境では x86 でしか最適化がかかりませんでした。これは今後他のアーキテクチャでも最適化がかかるようになるでしょう。x64/arm64 でも動く x86 を優先して実装したんだと思います。
  • 最適化は unmanaged 限定
    • stackalloc に参照型を含んでしまうとガベージコレクションが大変なので、かえって遅くなるらしいです。今回の最適化も根っこは同じものと思われます。
    • 参考: https://ufcpp.net/blog/2022/2/params-span/
    • 個人的にはここを期待していたのですが、やはり難しい模様。
  • コンパイル時に長さが確定する配列のみ対象
    • int length = 3; new int[length] では最適化がかかりません。const int Length = 3; とかなら最適化がかかります。つまり最適化のためのコード解析がコンパイル時です。
    • これは今後のアップデートで実行時（JIT コンパイル時）に最適化してくれるのを期待したいところ。
  • スタックに配置する配列のサイズの境界値は 520Byte くらい
    • int だと 130 までです。128（きりの良い数字）より少し多め。
    • これは実行環境依存かもしれません。ここの判断をランタイムに丸投げできるようになったため、Span<int> numbers = length < 100 ? stackalloc int[length] : new int[length] みたいな分岐を省略できます。
  • 小さい型はとても長くてもスタックに配置する（sizeof(T) == 1 の型？）
    • new byte[10000] 等とても長い配列でもスタックに配置されます。
    • C# では Utf8 文字列を ReadOnlySpan<byte> で表現するため、特需ということでしょうか。
  • stackalloc のがパフォーマンスよくね？
    • ・・・

おわりに

今のところコレクション式使っとけというのが結論で、今回の最適化はかなり限定的です。実行時に長さが決まる unmanaged 型のスパンが欲しい場合は、引き続き stackalloc になりそうです。

System.IO.Stream.Read() 等の配列を引数に取るメソッドで活用できるかもしれません。
関連：【C#】Stream.Read/Write(Span) のパフォーマンス

一方で参照型をスタックに配置する試み（int[] は参照型）は目を引くもので、C# がずっと手を付けなかった分野です。非常に興味深いので、今後の動向を注視しています👀。

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