【C# .NET 10 Preview 2】参照型がスタックに置かれる最適化

はじめに

.NET 10 Preview2 が利用可能になりました。

インライン化観測に基づく仮想化解除 / Devirtualization Based on Inlining Observations というランタイムの最適化が行われています。
これは個人的にビッグ・ニュースです。

↓ のコードで列挙のたびにオブジェクトがヒープに置かれるのが、今回の最適化でスタックに配置され（一部レジスタに配置）高速化されるというものです。

var r = GetRangeEnumerable(0, 10);
foreach (var i in r)
{
    Console.WriteLine(i);
}

static IEnumerable<int> GetRangeEnumerable(int start, int count) => new RangeEnumerable(start, count);

class RangeEnumerable(int start, int count) : IEnumerable<int>
{
    public class RangeEnumerator(int start, int count) : IEnumerator<int>
    {
        private int _value = start - 1;
        public int Current => _value;
        object IEnumerator.Current => Current;
        public void Dispose() { }
        public bool MoveNext()
        {
            _value++;
            return count-- != 0;
        }
        public void Reset() => _value = start - 1;
    }

    public IEnumerator<int> GetEnumerator() => new RangeEnumerator(start, count);
    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() => GetEnumerator();
}

テストコード

テストコード

using System.Collections;

public class __DevirtualizationBasedOnInliningObservationsTest
{
    static void Test(Performance p)
    {
        p.AddTest("class enumerator", () =>
        {
            var sum = 0;
            var r = GetRangeEnumerable(0, 10);
            foreach (var i in r)
                sum += i;
        });

        p.AddTest("struct enumerator", () =>
        {
            var sum = 0;
            var r = GetStructRangeEnumerable(0, 10);
            foreach (var i in r)
                sum += i;
        });

        p.AddTest("not virtual struct enumerator", () =>
        {
            var sum = 0;
            var r = new NotVirtualStructRangeEnumerable(0, 10);
            foreach (var i in r)
                sum += i;
        });

        p.AddTest("collection expression", () =>
        {
            var sum = 0;
            ReadOnlySpan<int> r = [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9];
            foreach (var i in r)
                sum += i;
        });
    }

    static IEnumerable<int> GetRangeEnumerable(int start, int count) => new RangeEnumerable(start, count);

    static IEnumerable<int> GetStructRangeEnumerable(int start, int count) => new StructRangeEnumerable(start, count);
}

file class RangeEnumerable(int start, int count) : IEnumerable<int>
{
    public class RangeEnumerator(int start, int count) : IEnumerator<int>
    {
        private int _value = start - 1;
        public int Current => _value;
        object IEnumerator.Current => Current;
        public void Dispose() { }
        public bool MoveNext()
        {
            _value++;
            return count-- != 0;
        }
        public void Reset() => _value = start - 1;
    }

    public IEnumerator<int> GetEnumerator() => new RangeEnumerator(start, count);
    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() => GetEnumerator();
}

file struct StructRangeEnumerable(int start, int count) : IEnumerable<int>
{
    public struct RangeEnumerator(int start, int count) : IEnumerator<int>
    {
        private int _value = start - 1;
        public int Current => _value;
        object IEnumerator.Current => Current;
        public void Dispose() { }
        public bool MoveNext()
        {
            _value++;
            return count-- != 0;
        }
        public void Reset() => _value = start - 1;
    }

    public IEnumerator<int> GetEnumerator() => new RangeEnumerator(start, count);
    IEnumerator IEnumerable.GetEnumerator() => GetEnumerator();
}

file struct NotVirtualStructRangeEnumerable(int start, int count)
{
    public struct RangeEnumerator(int start, int count)
    {
        private int _value = start - 1;
        public int Current => _value;
        public void Dispose() { }
        public bool MoveNext()
        {
            _value++;
            return count-- != 0;
        }
        public void Reset() => _value = start - 1;
    }

    public RangeEnumerator GetEnumerator() => new RangeEnumerator(start, count);
}

パフォーマンス検証

Test	Score	%	CG0
.NET10 x86
class enumerator	1,680,931	100.0%	0
struct enumerator	1,670,441	99.4%	0
not virtual struct enumerator	1,675,222	99.7%	0
collection expression	1,865,279	111.0%	0
.NET9 x86
class enumerator	897,017	100.0%	6
struct enumerator	818,957	91.3%	5
not virtual struct enumerator	1,679,676	187.3%	0
collection expression	1,853,766	206.7%	0

実行環境: Windows11 x64（ランタイムは x86）
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）。

• 最適化によりヒープアロケーションが削減されています
• .NET9 -> .NET10 でループのスコアが倍になっています。すごい

参考: x64 のスコア

Test	Score	%	CG0
.NET10 x64
class enumerator	289,609	100.0%	1
struct enumerator	286,508	98.9%	1
not virtual struct enumerator	755,603	260.9%	0
collection expression	1,118,043	386.1%	0
.NET9 x64
class enumerator	301,395	100.0%	2
struct enumerator	284,562	94.4%	1
not virtual struct enumerator	771,518	256.0%	0
collection expression	1,102,962	366.0%	0

実行環境: Windows11 x64
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）。

x64 のほうはスコアがあまり変わらないようです。

(ﾟ∀ﾟ)ｷﾀｺﾚ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

以前の記事で小さい型をヒープではなくスタックに配置する最適化が来るかも、と予想していましたが、まさか本当にくるとは思ってなかったです。

確か Java には寿命が短いオブジェクトはスタックに作成する、みたいな最適化機能があったような気がするので、C# でも一般的な参照型に対象を広げられる・・・？

.NET チームは偉い！！！！！

おわりに

Preview2 のリリースノートでこれを見つけたとき朝からテンションが上ってしまいました。おそらくまだ列挙パターンの小さな参照型のみ最適化の対象なのかなと思いますが、今後一般的な参照型に拡大されるかもしれません。

今回の最適化の何が偉いかというと、ランタイムが実行時に最適化をかけることです。つまり既存のコードは変更しなくても恩恵があります。最適化に関するテクい書き方をしなくてもいいのは学習コスト・可読性的によろしいと思います。

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