今日は「low level」関連4個目。

• 1個目: 【C# 11 候補】 ReadOnlySpan 最適化
• 2個目: 【C# 11 候補】 params Span
• 3個目: 【C# 11 候補】 ref 型引数

今日は ref フィールドとか、構造体を使ったパフォーマンス改善系の話。

• Low Level Struct Improvements

昨年10月の low level hackathon で何かプロトタイプ実装があったわけじゃないですし、提案自体は2020年からあります。 ただ、昨年10月頃から本腰を入れて動き始めているみたいで、 .NET 7 / C# 11 でのリリースに向けて割かし前向きみたいです。

Span 構造体の中身

C# 7.2 の頃に入った Span<T> 構造体ですが、理屈上は以下のような構造体です。

readonly ref struct Span<T>
{
    private readonly ref T _field;
    private readonly int _length;
}

配列とか、stackalloc で確保したメモリ領域の先頭を ref で持っています。

「理屈上は」と前置きしているのは、この当時 (というか C# 10.0 現在でも)、C# には ref をフィールドに持つ機能がありません。

ちょこっと背景的な話をすると、

• 初期プロトタイプ時点では、Span<T> の中身はポインター (unmanaged なやつ)で実装していた
• それで劇的なパフォーマンス改善が得られることが実証された
• その後、やっぱりポインター(ガベージ コレクションのトラッキング対象にならない)だとダメで、マネージ参照(要するにガベコレ対象にしたい)が必要という話になった
• ref フィールドの追加は負担が大きいので、ByReference<T> という特殊な internal 構造体を用意して、それを .NET ランタイム内で特別扱いしてしのいだ

という経緯があります。

ということで、C# 10.0 / .NET 6 時点での Span<T> の中身は概ね以下のようになっています。

public readonly ref struct Span<T>
{
    private readonly ByReference<T> _pointer;
    private readonly int _length;
}

internal readonly ref struct ByReference<T>
{
    // 形式上こんな定義が入っているものの、ランタイム内で特殊処理して ref T に置き換えてる。
    private readonly IntPtr _value;

    [Intrinsic]
    public ref T Value => throw new PlatformNotSupportedException();
}

ref がらみの改善

この Span<T> を導入した当時から、 ByReference<T> の特別扱いがだいぶ「やっつけ」っぽいことは百も承知です。 「いつかは直すべきだが、差し当たって一番需要が高い Span<T> をリリースすることの方が先決」という判定です。

そしてその「いつか」が今ついに来たというのが冒頭で紹介したこの提案。 Span<T> / C# 7.2 が2017年末のことなので、実に5年ぶりの low level の機運。

• Low Level Struct Improvements

この提案には複数の機能・目標が含まれていて、以下のようなものがあります。

• ref 構造体に ref フィールドを持てるようにする
• ByReference<T> の特別扱いをやめて、Span<T> などを普通に ref T を使った実装に置き換えれるようにする
• ref 構造体が this 参照を ref 戻り値で返せるようにする
• 現在認められていない new Span<T>(ref T reference, int length) みたいなものを、unsafe なしで作れるようにする
• 固定長バッファーを unsafe なしで作れるようにする

Span<T> を先にリリースして、ref フィールドが後なので、 互換性のために、エスケープ解析が多少複雑になっている感じはありますが…

ちなみに、C# コンパイラー側だけじゃなく、 ラインタイム側の作業も結構必要になります。 以下のものがトラッキング用の issue。 今日の時点でも結構完了済み。

• ref field support in .NET runtimes