通过 Span<T> 修改变量时，优化构建和 JIT 编译会产生问题吗？

Question

假设我使用MemoryMarshal.CreateSpan 来访问本地值类型的字节，例如以下（不是很有用）代码：

using System;
using System.Runtime.InteropServices;

// namespace and class boilerplate go here

private static void Main()
{
    int value = 0;
    Span<byte> valueBytes = MemoryMarshal.AsBytes(MemoryMarshal.CreateSpan(ref value, 1));

    var random = new Random();
    while (value >= 0) // the check in question
    {
        random.NextBytes(valueBytes);
        Console.WriteLine(value);
    }
}

虽然此代码按预期工作，但如果变量value 未在循环中修改，除非通过 @ 987654325@跨度？我可以依靠阅读value 给我写到valueBytes 的内容，或者这是否容易被重新排序？还是我只是因为最近涉足了一点 C++ 而变得偏执？

(注意我知道还有其他方法可以达到上述代码的预期效果，这不是关于如何获得全范围32位随机整数的问题或关于某些更大应用程序的XY问题我正在尝试将此代码放入其中，不存在这样更大的应用程序）

Answer 1

我认为，唯一确定的答案可以由在 Roslyn 和 RyuJIT 方面实现编译器优化的人提供。

由于您使用的是 .NET Core，您当然可以深入研究源代码并自行找到答案。不过，这将是特定编译器版本的答案。

查看为您的 sn-p 生成的 IL 代码：

// int value = 0;
ldc.i4.0
stloc.0

// MemoryMarshal.CreateSpan(ref value, 1)
ldloca.s 0
ldc.i4.1
call valuetype System.Span`1<!!0> System.Runtime.InteropServices.MemoryMarshal::CreateSpan<int32>(!!0&, int32)

// the rest is omitted

注意ldloca.s 操作码。这个操作loads the address of the local variable onto the evaluation stack。

虽然我无法为您提供官方链接来证明这一点，但我很确定 C# 和 JIT 编译器都不会优化掉那个局部变量——只是因为它的地址被使用了，所以这个局部变量有可能会通过其地址进行变异。

如果你查看生成的汇编代码，你会看到：局部变量在那里并且被放置到堆栈上，它不是一个仅寄存器变量。

// int value = 0;
xor         ecx,ecx  
mov         dword ptr [rsp+3Ch],ecx 

WHILE_LOOP_START:
// ... do stuff

// effectively: if (value >= 0) goto WHILE_LOOP_START
cmp         dword ptr [rsp+3Ch],0  
jge         WHILE_LOOP_START  

尝试编写一些不会产生ldloca.s 操作码的代码（例如，在循环中只生成++value），value 变量很可能会成为仅寄存器变量。

如果您修改您的代码以使value 永远不会被写入（初始化除外），JIT 编译器实际上将完全消除检查和变量本身：

LOOP:

// Console.WriteLine(0)
xor         ecx,ecx  
call        CONSOLE_WRITE_LINE

// while (true)
jmp         LOOP

不过有趣的是，C# 编译器不会进行这种优化：

// int value = 0;
ldc.i4.0
stloc.0

br.s WHILE_CHECK

LOOP_START:
// Console.WriteLine(value)
ldloc.0
call void System.Console::WriteLine(int32)

WHILE_CHECK:
// effectively: if (value >= 0) goto LOOP_START
ldloc.0
ldc.i4.0
bge.s LOOP_START

同样，我的答案中的 IL 和汇编代码是特定于平台和编译器的（甚至是特定于 CLR 的）。我无法向您提供证明文件。但我很确定没有编译器会优化掉一个获得地址的局部变量，甚至在调用方法/函数时用作参数。

也许 Roslyn 和 RyuJIT 团队的人可以给你一个更好的答案。