静态构造函数中的代码运行较慢

Question

我注意到启动时间会有所不同,这取决于我放置了一段初始化代码.我觉得这很奇怪,所以我写了一个小基准,这证实了我的怀疑.似乎在调用main方法之前执行的代码比正常情况慢.

为什么Benchmark();以不同的速度运行,具体取决于在常规代码路径之前和之后调用？

这是基准代码:

class Program {
    static Stopwatch stopwatch = new Stopwatch();
    static Program program = new Program();

    static void Main() {
        Console.WriteLine("main method:");
        Benchmark();
        Console.WriteLine();

        new Program();
    }

    static Program() {
        Console.WriteLine("static constructor:");
        Benchmark();
        Console.WriteLine();
    }

    public Program() {
        Console.WriteLine("public constructor:");
        Benchmark();
        Console.WriteLine();
    }

    static void Benchmark() {
        for (int t = 0; t < 5; t++) {
            stopwatch.Reset();
            stopwatch.Start();
            for (int i = 0; i < 1000000; i++)
                IsPrime(2 * i + 1);
            stopwatch.Stop();
            Console.WriteLine(stopwatch.ElapsedMilliseconds + " ms");
        }
    }

    static Boolean IsPrime(int x) {
        if ((x & 1) == 0)
            return x == 2;
        if (x < 2)
            return false;
        for (int i = 3, s = (int)Math.Sqrt(x); i <= s; i += 2)
            if (x % i == 0)
                return false;
        return true;
    }
}

结果显示,Benchmark()对于static Program program属性的静态构造函数和构造函数,运行速度几乎慢两倍:

// static Program program = new Program()
public constructor:
894 ms
895 ms
887 ms
884 ms
883 ms

static constructor:
880 ms
872 ms
876 ms
876 ms
872 ms

main method:
426 ms
428 ms
426 ms
426 ms
426 ms

// new Program() in Main()
public constructor:
426 ms
427 ms
426 ms
426 ms
426 ms

将基准测试循环中的迭代次数加倍会导致所有时间加倍,这表明所产生的性能损失不是常数,而是一个因素.

// static Program program = new Program()
public constructor:
2039 ms
2024 ms
2020 ms
2019 ms
2013 ms

static constructor:
2019 ms
2028 ms
2019 ms
2021 ms
2020 ms

main method:
1120 ms
1120 ms
1119 ms
1120 ms
1120 ms

// new Program() in Main()
public constructor:
1120 ms
1128 ms
1124 ms
1120 ms
1122 ms

为什么会这样呢？如果在它所属的地方完成初始化将同样快,那将是有意义的.测试是在.NET 4,发布模式和优化中完成的.

Answer 1

这是一个非常有趣的问题。我花了一些时间尝试你的程序的变体。以下是一些观察结果：

1. 如果将 Benchmark() 静态方法移动到不同的类中，静态构造函数的性能损失就会消失。

2. 如果将 Benchmark() 方法变成实例方法，性能损失就会消失。

3. 当我分析快速案例 (1, 2) 和慢速案例 (3, 4) 时，慢速案例在 CLR 辅助方法（特别是 JIT_GetSharedNonGCStaticBase_Helper）上花费了额外的时间。

根据这些信息，我可以推测发生了什么。CLR 需要确保每个静态构造函数最多执行一次。一个复杂的问题是静态构造函数可能形成一个循环（例如，如果类 A 包含类型 B 的静态字段，而类 B 包含类型 A 的静态字段）。

在静态构造函数内执行时，JIT 编译器会在一些静态方法调用周围插入检查，以防止由于循环类依赖而导致潜在的无限循环。一旦从静态构造函数外部调用静态方法，CLR 就会重新编译该方法以删除检查。

这应该非常接近正在发生的事情。