dynamic の内部実装

概要

Ver. 4.0

dynamic って内部的にはどうなってるの？という話。

C# の dynamic は、「型が動的」というよりは、「静的な型に対する動的コード生成」と言った方が正確です。 動的に生成したコードはキャッシュされていて、2度目の呼び出しからはかなり効率よく実行されます。 このような手法はインラインメソッドキャッシュ（inline method cache）と呼ばれています。

注意： 内部的な話なので、C# のバージョンアップで実装方法が変わる可能性もあります（基本的な原理は変わらないと思いますが）。 （今このページに書かれている内容は、C# 4.0 の時点の実装に基づいています。）

ポイント

• dynamic 型ってのは実はなくて、内部的には object。
• CallSite クラスを使って動的コード生成。

動的 callsite

dynamic を使ったコードは、内部的には CallSite というクラスを使ったコードに展開されます。 （多分、「動的呼び出し（call）用の動的コードを生成するための用地（site）というような意味合い。） 例えば、以下のような C# 4.0 コードは、

public static void CallX(object obj)
{
    dynamic d = obj;
    d.X();
}

public static dynamic GetX(dynamic obj)
{
    return obj.X;
}

以下のようなコードに展開されます。

// ↓本当は、いかにもコンパイラが自動生成したような変な変数名になってる
static CallSite<Action<CallSite, object> site1;
static CallSite<Func<CallSite, object, object> site2;

public static void CallX(object obj)
{
    object d = obj; // (1) dynamic 型の変数は、実のところ単なる object 型になる

    if (site1 == null)
    {
        // d.X() 相当のコードを動的生成するための CallSite を作る。
        site1 = CallSite<Action<CallSite, object>>.Create(
            new CSharpInvokeMemberBinder(
                CSharpCallFlags.None, "X", typeof(DynamicSample), null,
                new CSharpArgumentInfo[] {
                   new CSharpArgumentInfo(CSharpArgumentInfoFlags.None, null)
                }));
    }

    // 動的生成したコードを呼んだり、新たに動的生成するのは、
    // 実際には Target デリゲートの中。
    site1.Target.Invoke(site1, d);
}

// 引数や戻り値が dynamic の場合は、Dynamic 属性付きの object 型になる
[return: Dynamic]
public static object GetX([Dynamic] object obj)
{
    if (site2 == null)
    {
        // d.X 相当のコードを動的生成するための CallSite を作る。
        site2 = CallSite<Func<CallSite, object, object>>.Create(
            new CSharpGetMemberBinder(
                "X", typeof(DynamicSample), new CSharpArgumentInfo[] {
                    new CSharpArgumentInfo(CSharpArgumentInfoFlags.None, null)
                }));
    }

    // 動的生成したコードを呼んだり、新たに動的生成するのは、
    // 実際には Target デリゲートの中。
    return site2.Target.Invoke(site2, obj);
}

要点は3つ。

1. dynamic 型ってのは本当はなくて、内部的には単なる objetct 型になる。 メソッドの引数が dynamic 型の場合、[Dynamic] 属性が付く。
2. CallSite 初期化時： どうやって動的コード生成するかを指定する。 CallSiteBinder（この例の場合、CSharpInvokeMemberBinder や CSharpGetMemberBinder がこのクラスを継承してる）を使う。
3. CallSite.Target： 動的に生成したコードの入っているデリゲート。 obj の中身がまだコード生成していない型だった場合、動的コード生成して Target デリゲート自身の中身を書きかえる。

Dynamic 属性

前述の通り、コンパイル結果的には dynamic 型ってものはなくて、 実際のところは単なる object 型の変数になります。 特に、ローカル変数の型を dynamic にした場合には、完璧に単なる object 型の変数になります。

メンバー変数やプロパティ、メソッドの引数や戻り値の型を dynamic にした場合には、 普通の object と区別するために、Dynamic 属性が付きます。

dynamic x;
public dynamic X { get { return x; } set { x = value; } }

public static dynamic GetX(dynamic obj)
{
    // 中身省略
}

というコードは、以下のようなコードに変換されます。

[Dynamic]
private object x;

[Dynamic]
public object X
{
    [return: Dynamic]
    get { return this.x; }
    [param: Dynamic]
    set { this.x = value; }
}

[return: Dynamic]
public static object GetX([Dynamic] object obj)
{
    // 中身省略
}

なので、以下のようなコードはコンパイルエラーを起こしたりします。 （dynamic 型と object 型でメソッドをオーバーロードすることはできません。）

// 同じパラメーター型の GetX が2個あるぞって怒られる。
public static dynamic GetX(dynamic obj)
{
    return obj.X;
}

public static object GetX(object obj)
{
    var t = obj.GetType();
    return t.GetMethod("X").Invoke(obj, new object[0]);
}

ジェネリック型の型引数を dynamic にした場合はどうなるかというと、

static void GenericDynamic(
    IDictionary<object, object> a,
    IDictionary<dynamic, object> b,
    IDictionary<object, dynamic> c,
    IDictionary<dynamic, dynamic> d)
{
}

この例の場合、以下のようなコードに変換されます。

private static void GenericDynamic(
    IDictionary<object, object> a,
    [Dynamic(new bool[] { false, true, false })] IDictionary<object, object> b,
    [Dynamic(new bool[] { false, false, true })] IDictionary<object, object> c,
    [Dynamic(new bool[] { false, true, true })] IDictionary<object, object> d)
{
}

要するに、型引数の少なくともどれか1つが dynamic 型だった場合、 bool[] の引数付きの Dynamic 属性が付きます。

CallSiteBinder

続いて CallSite の初期化部分。 上述のコードのうち、以下のようなコードの部分について。

if (site2 == null)
{
    // d.X 相当のコードを動的生成するための CallSite を作る。
    site2 = CallSite<Func<CallSite, object, object>>.Create(
        new CSharpGetMemberBinder(
            "X", typeof(DynamicSample), new CSharpArgumentInfo[] {
                new CSharpArgumentInfo(CSharpArgumentInfoFlags.None, null)
            }));
}

d.X などのメンバーアクセスに対して、どういう動的コード生成を行えばいいかは、CallSite クラス自身は知りません。 それを実際に担ってるのは、この例で言うと CSharpGetMemberBinder の部分です。 CSharpGetMemberBinder は System.Runtime.CompilerServices.CallSiteBinder というクラスを継承していて、 CallSiteBinder の抽象メソッドの Bind 内で式木を作っています。

CSharpGetMemberBinder というように、名前に CSharp という言葉が付いてることからもわかるように、 言語ごとに CallSiteBinder の実装を変えることができます。

（CallSite 自体は、C# 4.0 の dynamic のためだけに作られたクラスではなくて、 DLR に含まれているクラス。 IronPython などの動的言語の実装にも使われています。）

C# 4.0 の場合（要するに、CSharpGetMemberBinder の中の挙動としては）、以下のような動的コード生成を行います。

• IDynamicObject インターフェースを実装した型の場合、TryGetMember などのメソッド呼び出し
• COM オブジェクトの場合、COM Interop コード
• その他の場合、リフレクションを使ってメンバーを持っているかどうか調べて、持っているならそのメンバーにアクセスするコードを生成。

CallSite.Target 内での動的コード生成

最後に、実際に動的コード生成。 CallSite.Target デリゲートを呼んでいる部分について。

    site1.Target.Invoke(site1, d);

Target デリゲートの中身は、初期状態では以下のようなコードと同じ状態になっています。

static  object _anonymous(CallSite site, object x)
{
    return site.Update(site, x);
}

この状態で、GetX(new Point { X = 1, Y = 2}); というように、 Point 型のインスタンスを引数として Target が呼ばれたとします。 このとき、Target 内には Update の1行しかないので、 この Update が呼ばれて、動的コード生成が行われます。 その結果、Target が以下のような状態に更新されます。

static  object _anonymous(CallSite site, object x)
{
    if (x is Point)
        return ((Point)x).X;
    else
        return site.Update(site, x);
}

ここで、((Point)x).X の部分を生成するのが CallSiteBinder の役目です。

Target 内がこのような状態になったので、 以後、Point 型のインスタンスで GetX を呼べば、 そこそこいい実行速度が得られます。

実行速度に関してもう少し詳しく言うと、

• 初回（今まで使ったことのない型のインスタンスで GetX を呼んだりしたとき）には動的コード生成（Target 内を更新）する分、かなり重たい処理が入る。
• 2回目以降は、そこそこ高速。
  • 静的に x.X プロパティを呼ぶのと比べると、if 文とキャストの分だけ遅い。
  • 呼び出しのたびに毎回リフレクションを使うよりは圧倒的に高速。

という感じになります。

（ ちなみに、こういう、動的コード生成してデリゲート化しておくような手法をインラインメソッドキャッシュ（inline method cache）と言うようです。 DLR や C# 4.0 以外（例えば JavaScript とか）でも、同様の手法はよく使われます。 ）

Point 以外の型のインスタンスが来ると、当然また Target の更新がかかります。 例えば、Vector3D を使って GetX(new Vector3D(1, 2, 3)); とかすると、

static  object _anonymous(CallSite site, object x)
{
    if (x is Point)
        return ((Point)x).X;
    else if (x is Vector3D)
        return ((Vector3D)x).X;
    else
        return site.Update(site, x);
}

となります。

余談

その他、いくつか小ネタを。

typeof(dynamic)

typeof(dynamic) はそもそもエラーになります。 typeof(object) が得られたりはしません。

dynamic の ToString 呼び出し

dynamic の実体は object なわけですが、 じゃあ、ToString() や GetHashCode() 等の object 型のメソッドはどうなるかというと・・・、 CallSite を介した動的コード生成になります。 ToString() だけ特別扱いされて静的なコードになったりはしません。

Dynamic 属性を直接使う

dynamic キーワードを使わず、 Dynamic 属性を直接付けようとするとコンパイルエラーになります。 「DynamicAttribute は直接は使えない。dynamic キーワードを使ってくれ」というような感じで怒られます。