[游戏开发]深入C#里static readonly的安全性与内存分配[原创]

深入static readonly的安全与内存分配[原创]

问题起源：为了开发帧同步，在写定点数的Vector3类时，想要仿照Unity的Vector3给这个类加一些静态的只读字段，比如说Unity里的Vector3.up等等。

看了Unity源码后，我发现除了Unity的实现方式，还有好几种不同设计的方法（下面会列出）。这就引起了我的好奇心：这些方式有啥区别以及哪个更好，有没有办法再保证安全的情况下提升性能，减少没要的复制？

于是我通过测试与查看IL码（IL码就不贴出来了），做了一个比较（不考虑JIT的优化）：

背景

引入一个简化后的例子，作为比较的背景：

public struct Point
{
    public int x;
    public int y;
    public Point(int x, int y)
    {
        this.x = x;
        this.y = y;
    } 
    public void Method() { y += 1; }
    
    //此属性会在调用时，复制一份x的值，然后再返回复制的值
    public int Change => ++x;
    
    
    //1.Unity定义的方式
    private static readonly Point unity =new Point(1, 1);
    public static Point Unity => unity;
    
    //2.Unity定义的方式去掉了readonly
    private static Point staticPro =new Point(1, 1);
    public static Point StaticPro => staticPro;
    
    //3.使用static的自动属性
    public static Point StaticAutoPro => new Point(1, 1);
    
    //4.去掉了属性，直接使用static字段
    public static Point StaticField =new Point(1, 1);
    
    //5.使用static+readonly字段
    public static readonly Point StaticReadonlyField = new Point(1, 1);
}

• 属性get可以看成是方法，在get里已经复制了一份新的值，再return出去。

1. Unity定义的方式

定义：

//1.Unity定义的方式
private static readonly Point unity = new Point(1, 1);
public static Point Unity => unity;
//调用Unity时会复制一份结构体的值，然后再传出去

使用解析（IL）：

//这句会在get中就复制一份新的结构体存入栈a1中。（复制了1次）
var a1 = Point.Unity;

//这句会在get中就复制一份新的结构体存入栈内存中，然后再把结构体里x的值复制存入栈b1中（复制了2次）
var b1 = Point.Unity.x;

//这句会在get中就复制一份新的结构体存入栈内存中，然后通过栈中结构体的Change属性，复制x的值存入栈c1中（复制了2次）
var c1 = Point.Unity.Change;

//这句会在get中就复制一份新的结构体存入栈内存中，再调用其函数。（复制了1次）
Point.Unity.Method();

所以从Unity的情况来看，安全性得到了最好的保障：在类外通过属性保护，只要调用它不管怎样都会复制一份出去操作，不会被篡改。但是这样子当然会损失性能（虽然我看来其实几乎没有，因为用的很少），但也许会有安全和性能兼顾的办法。

在类里是readonly，也有一定的保护作用。除了读取字段不用复制，读取属性/方法也会复制一份（具体可以看深入解析C#里的只读类型的隐式复制）。

2. Unity定义的方式去掉了readonly,也就是static的一个属性

定义：

//2.Unity定义的方式去掉了readonly
private static Point staticPro = new Point(1, 1);
public static Point StaticPro => staticPro;
//调用Unity时会复制一份结构体的值，然后再传出去

使用解析（IL）：

//其实在类外使用的情况下，和第一种是一样的，毕竟只是去掉了readonly。
//在类里面使用才会有区别：在类里面修改，调用属性方法等都可能会造成他本身的修改。

所以安全性不如第一种，在类外使用也没有什么性能提升，按我的代码需求感觉是还不如第一种。

3. 使用static的自动属性

定义：

//3.使用static的自动属性
public static Point StaticAutoPro => new Point(1, 1);
//调用Unity时会新建一份结构体的值，然后再传出去

使用解析（IL）：

//在get中创建一份结构体存入栈a3中。（创建1次）
var a3 = Point.StaticAutoPro;

//在get中创建一份结构体存入栈中，然后再把结构体里x的值复制存入栈b3中（创建1次，复制1次）
var b3 = Point.StaticAutoPro.x;

//在get中创建一份结构体存入栈中，然后通过栈中结构体的Change属性，复制x的值存入栈c3中（创建1次，复制1次）
var c3 = Point.StaticAutoPro.Change;

//在get中创建一份结构体存入栈中，再调用其函数。（复制了1次）
Point.StaticAutoPro.Method();

这个跟第2种的区别在于：无论是类外还是类里，都会创建一个新的值传出去，而不是复制值。

这种安全性其实可以保证，因为每次都是创建一个新的值（性能应该差别不大），唯一有一点小区别是在类里读的话也要创建一个新的，这个开销其实没必要，但是在类里读的情况也几乎不会发生。

4.去掉了属性，直接使用static字段

定义：

//4.去掉了属性保护，直接使用static字段
public static Point StaticField =new Point(1, 1);

使用解析（IL）：

//从字段复制一份结构体存入栈a4中。（复制1次）
var a4 = Point.StaticField;

//会将原字段地址加载进栈内存中，然后再把原字段里x的值复制存入栈b4中（复制1次）
var b4 = Point.StaticField.x;

//会将原字段地址加载进栈内存中，然后通过原字段的Change属性，复制x的值存入栈c4中（复制1次）
var c4 = Point.StaticField.Change;

//会将原字段地址加载进栈内存中，然后直接调用（0复制）
Point.StaticField.Method();

这一种性能会好很多，但是几乎没有安全性可言，类里类外都可以任意的访问修改。即使我的代码里不会去修改，但也不能将其这样设计。

5.使用static+readonly字段

定义：

//5.使用static+readonly字段
public static readonly Point StaticReadonlyField = new Point(1, 1);

使用解析（IL）：

//会复制一份新的结构体存入栈a5中。（复制了1次）
var a5 = Point.StaticReadonlyField;

//会将原字段地址加载进栈内存中，然后再把原字段里x的值复制存入栈b5中（复制1次）
var b5 = Point.StaticReadonlyField.x;

//会复制一份新的结构体存入栈内存中，然后通过栈中结构体的Change属性，复制x的值存入栈c5中（复制了2次）
var c5 = Point.StaticReadonlyField.Change;

//会复制一份新的结构体存入栈内存中，再调用其函数。（复制了1次）
Point.StaticReadonlyField.Method();

虽然没有属性的保护，但它有readonly的保护：在类外或类里调用属性/方法时，都会复制一次，但在读取变量时不会复制。这样子在性能上有了提升，安全性也得到了一定的保障。

其实跟第一种（Unity）比起来，唯一的区别是：这一种在读变量时会提高性能不复制，但是也不能修改变量，我的需求（Vector3.up）肯定是不会修改的，所以最后我选择了这一种方式。

创作：Hyu