UnsafeAccessor でジェネリックが使えるようになった話

はじめに

以前の記事 UnsafeAccessor でジェネリックが使えなかった話 の続きです。

.NET Runtime in .NET 9 Preview 4- Release Notes によると、.NET 9 のプレビュー 4 で UnsafeAccessor がジェネリックに対応したようです。
↓ のコードが有効になりました。

static class ListUnsafeAccessor<T>
{
    [UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Field, Name = "_items")]
    static extern ref T[] _items(List<T> list);

    internal static Memory<T> AsMemory(List<T>? list) => list is null ? default : _items(list).AsMemory(0, list.Count);
}

// 使用法
List<int> list = [1, 2, 3];
Assert.Equal(list.ToArray(), ListUnsafeAccessor<int>.AsMemory(list));
Assert.Equal([], ListUnsafeAccessor<int>.AsMemory(null).Span);

かゆいところ

フレームワーク機能で List<T> から Span<T> は取れるため概ね満足だったのですが、やはり配列や Memory<T> を取れると便利だなと思うこともありました。既存の方法だと式木（System.Linq.Expressions）を使うのがバランスがいいかと思っていたのですが、これは要するにリフレクションのため実行時のコストがあるのと、AoT と相性がよくない問題がありました。今回、それが解消しました。

パフォーマンス比較

結論：どれも変わらん

Test	Score	%	CG0
Performance_AsSpan_CollectionsMarshal	100,225	100.0%	0
Performance_List_foreach	90,026	89.8%	0
Performance_AsMemory_UnsafeAccessor	94,111	93.9%	0
Performance_AsMemory_ReflectionAccessor	85,934	85.7%	0
Performance_AsMemory_ExpressionAccessor	86,283	86.1%	0

実行環境: Windows11 x64 .NET Runtime 9.0.0
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）。

テストコード

using System.Linq.Expressions;
using System.Reflection;
using System.Runtime.CompilerServices;
using Xunit;

public class _UnsafeAccessorGenericTest
{
    static class ListUnsafeAccessor<T>
    {
        [UnsafeAccessor(UnsafeAccessorKind.Field, Name = "_items")]
        static extern ref T[] _items(List<T> list);

        internal static Memory<T> AsMemory(List<T>? list) => list is null ? default : _items(list).AsMemory(0, list.Count);
    }

    void ListUnsafeAccessorの使用法()
    {
        List<int> list = [1, 2, 3];
        Assert.Equal(list.ToArray(), ListUnsafeAccessor<int>.AsMemory(list));

        Assert.Equal([], ListUnsafeAccessor<int>.AsMemory(null).Span);
    }

    static class ListReflectionAccessor<T>
    {
        private static readonly FieldInfo _itemsField = typeof(List<T>).GetField("_items", BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Instance)!;

        private static T[] _items(List<T> list) => (T[])_itemsField.GetValue(list)!;

        internal static Memory<T> AsMemory(List<T>? list) => list is null ? default : _items(list).AsMemory(0, list.Count);
    }

    static class ListExpressionAccessor<T>
    {
        private static readonly Func<List<T>, T[]> _itemsFunc;

        static ListExpressionAccessor()
        {
            var param = Expression.Parameter(typeof(List<T>), "list");
            var field = Expression.Field(param, typeof(List<T>).GetField("_items", BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Instance)!);
            _itemsFunc = Expression.Lambda<Func<List<T>, T[]>>(field, param).Compile();
        }

        private static T[] _items(List<T> list) => _itemsFunc(list);

        internal static Memory<T> AsMemory(List<T>? list) => list is null ? default : _items(list).AsMemory(0, list.Count);
    }

    [Fact]
    void AsMemory_UnsafeAccessor()
    {
        List<int> list = [1, 2, 3];
        Assert.Equal(list.ToArray(), ListUnsafeAccessor<int>.AsMemory(list));

        Assert.Equal([], ListUnsafeAccessor<int>.AsMemory(null).Span);
    }

    [Fact]
    void AsMemory_ReflectionAccessor()
    {
        List<int> list = [1, 2, 3];
        Assert.Equal(list.ToArray(), ListReflectionAccessor<int>.AsMemory(list));

        Assert.Equal([], ListReflectionAccessor<int>.AsMemory(null).Span);
    }

    [Fact]
    void AsMemory_ExpressionAccessor()
    {
        List<int> list = [1, 2, 3];
        Assert.Equal(list.ToArray(), ListExpressionAccessor<int>.AsMemory(list));

        Assert.Equal([], ListExpressionAccessor<int>.AsMemory(null).Span);
    }

    static List<int> CreateTestList()
    {
        var list = new List<int>(10);
        for (int i = 0; i < 10; i++)
            list.Add(i);
        return list;
    }

    static Action Performance_AsSpan_CollectionsMarshal()
    {
        var list = CreateTestList();
        return () =>
            {
                var span = System.Runtime.InteropServices.CollectionsMarshal.AsSpan(list);
                foreach (var n in span)
                    n.GetHashCode();
            };
    }

    static Action Performance_List_foreach()
    {
        var list = CreateTestList();
        return () =>
            {
                foreach (var n in list)
                    n.GetHashCode();
            };
    }

    static Action Performance_AsMemory_UnsafeAccessor()
    {
        var list = CreateTestList();
        return () =>
            {
                var span = ListUnsafeAccessor<int>.AsMemory(list).Span;
                foreach (var n in span)
                    n.GetHashCode();
            };
    }

    static Action Performance_AsMemory_ReflectionAccessor()
    {
        var list = CreateTestList();
        return () =>
            {
                var span = ListReflectionAccessor<int>.AsMemory(list).Span;
                foreach (var n in span)
                    n.GetHashCode();
            };
    }

    static Action Performance_AsMemory_ExpressionAccessor()
    {
        var list = CreateTestList();
        return () =>
            {
                var span = ListExpressionAccessor<int>.AsMemory(list).Span;
                foreach (var n in span)
                    n.GetHashCode();
            };
    }
}