Microsoft.Extensions.DependencyInjection 之三：展開測試

2019 年 11 月 6 日
筆記

前文回顧
測試參數
- -m|method
- -t|target
- -n|number
- -c|cache
- -l|loop
啟動測試
測試結果

前文回顧

Microsoft.Extensions.DependencyInjection 之一：解析實現提到了 Microsoft.Extensions.DependencyInjection 包含以下核心組件。

IServiceCallSite

組件實例化上下文，包含許多實現，僅列舉其中的ConstantCallSite，CreateInstanceCallSite，ConstructorCallSite如下。

ConstructorCallSite既是IServiceCallSite的實現類，又複合引用IServiceCallSite，以表達自身參數的構建形式。

組件生命周期也使用IServiceCallSite表達，它們既從IServiceCallSite繼承，也引用IServiceCallSite。

CallSiteFactory

當組件需要被實例化時，CallSiteFactory從維護的ServiceDescriptor查找注入方式，對類型注入的組件使用反射解析其構造函數，並遞歸解析其參數，最後快取得到的IServiceCallSite實例。

ServiceProviderEngine

ServiceProviderEngine是抽象類，內部依賴CallSiteRuntimeResolver完成基於反射的組件實例化，並快取了組件實例化的委託。

CompiledServiceProviderEngine

CompiledServiceProviderEngine從ServiceProviderEngine繼承，內部依賴ExpressionResolverBuilder完成基於表達式樹的組件實例化的委託。

DynamicServiceProviderEngine

DynamicServiceProviderEngine從CompiledServiceProviderEngine繼承，它創建的委託比較特殊：

該委託第1次執行實際是 ServiceProviderEngine 內部的CallSiteRuntimeResolver調用
該委託第2次執行時開啟非同步任務，調用CompiledServiceProviderEngine內部的ExpressionResolverBuilder編譯出委託並覆蓋ServiceProviderEngine內部快取。

為了印證該邏輯，這裡使用 LINQPad 6 進行探索，該程式碼可以在控制台中運行，但部分語句僅在 LINQPad 中生效。

void Main() {      var services = new ServiceCollection()          .AddTransient<IFoo1, Foo1>()          .BuildServiceProvider();      var engine = ReflectionExtensions.GetNonPublicField(services, "_engine");      var realizedServices = (System.Collections.IDictionary)ReflectionExtensions.GetNonPublicProperty(engine, "RealizedServices");        for (int i = 0; i < 3; i++) {          services.GetRequiredService<IFoo1>(); //組件實例化          foreach (DictionaryEntry item in realizedServices) {              var title = String.Format("Loop {0}, type {1}, hash {2}", i, ((Type)item.Key).FullName, item.Value.GetHashCode());              item.Value.Dump(title, depth: 2); //僅被 LINQPad 支援          }          Thread.Sleep(10); //確保非同步任務完成      }  }    class ReflectionExtensions {      public static Object GetNonPublicField(Object instance, String name) {          var type = instance.GetType();          var field = type.GetField(name, BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Instance);          return field.GetValue(instance);      }        public static Object GetNonPublicProperty(Object instance, String name) {          var type = instance.GetType();          var property = type.GetProperty(name, BindingFlags.NonPublic | BindingFlags.Instance);          return property.GetValue(instance);      }  }    interface IFoo1 {      void Hello();  }    class Foo1 : IFoo1 {      public void Hello() {          Console.WriteLine("Foo1.Hello()");      }  }

運行該腳本，可以看到

第1次和第2次組件實例化，委託相同，hash 值都是 688136691，都是Microsoft.Extensions.DependencyInjection.ServiceLookup.DynamicServiceProviderEngine的內部委託；
第1次和第2次組件實例化的 callSite計數從1談到2；
第3次組件實例例，委託變成了System.Object lambda_method(...)，hash 值變成了 1561307880；

LINQPad 5 運行該腳本未能看到 hash 值變化，猜測是優化相關所致，考慮到DEBUG、單元測試和 LINQPad 6 已經實證，不再研究。

Microsoft.Extensions.DependencyInjection 之二：使用診斷工具觀察記憶體佔用對比了組件實例化前後的記憶體變化如下圖，從第3次開始組件實例化的性能大幅提升。

在以上基礎上得到作了小結：

Microsoft.Extensions.DependencyInjection 並非是銀彈，它的便利性是一種空間換時間的典型，我們需要對以下情況有所了解：

重度使用依賴注入的大型項目啟動過程相當之慢；

如果單次請求需要實例化的組件過多，前期請求的記憶體開銷不可輕視；

由於實例化伴隨著遞歸調用，過深的依賴將不可避免地導致堆棧溢出；

測試參數

Microsoft.Extensions.DependencyInjection 中抽象類Microsoft.Extensions.DependencyInjection.ServiceLookup.ServiceProviderEngine有以下實現

Microsoft.Extensions.DependencyInjection.ServiceLookup.CompiledServiceProviderEngine
Microsoft.Extensions.DependencyInjection.ServiceLookup.DynamicServiceProviderEngine
Microsoft.Extensions.DependencyInjection.ServiceLookup.ExpressionsServiceProviderEngine
Microsoft.Extensions.DependencyInjection.ServiceLookup.RuntimeServiceProviderEngine
Microsoft.Extensions.DependencyInjection.ServiceLookup.ILEmitServiceProviderEngine

RuntimeServiceProviderEngine 是對 ServiceProviderEngine 的原樣繼承可以忽略，ExpressionsServiceProviderEngine和CompiledServiceProviderEngine都是表達式樹的使用也沒有差異。ILEmitServiceProviderEngine是 emit 相關的實現。

從aspnet/DependencyInjection 獲取到的分支release/2.1 後，提取到ServiceProviderEngine、CompiledServiceProviderEngine和ILEmitServiceProviderEngine等核心實現，再編寫控制台程式，對依賴注入中反射、表達式樹、emit 3種實現方式的開銷和性能上進行探索。

程式使用啟動參數控制組件實例化行為，並記錄測試結果，以下是程式啟動參數的解釋。

-m|method

實例化方式，使用反射、表達式樹與 Emit 參與了測試，分別對應：

ref：使用反射實例化組件，實質是對 CallSiteRuntimeResolver 的調用；
exp：使用表達式樹實例化組件，實質是對 ExpressionResolverBuilder 的調用；
emit：使用 emit 實例化組件，實質是對 ILEmitResolverBuilder 的調用；

Action<Type, Boolean> handle = default;  if (method == "ref")  {      handle = GetRefService;  }  else if (method == "exp")  {      handle = GetExpService;  }  else if (method == "emit")  {      handle = GetEmitService;  }

-t|target

實例化目標，使用選取以下兩種，配合參數 -n|number 使用

foo：使用 IFoo_{n} 作為實例化目標，已定義了 IFoo_0、IFoo_1、IFoo_2 至 IFoo_9999 共1萬個介面與對應實現
bar：使用 IBar_{n} 作為實例化目標，只定義了 IBar_100、IBar_1000、IBar_5000、IBar_10000 共4個介面，每個實現均以 IFoo 作為構造函數的參數，
- IBar_100：使用 IFoo_0、IFoo_1 至 IFoo_99 作為構造函數參數；
- IBar_1000：使用 IFoo_0、IFoo_1 至 IFoo_999 作為構造函數參數；
- IBar_5000：使用 IFoo_0、IFoo_1 至 IFoo_4999 作為構造函數參數；
- IBar_10000：使用 IFoo_0、IFoo_1 至 IFoo_9999 作為構造函數參數；

該部分同大量介面與實現類的生成一樣仍然使用腳本生成。

-n|number

幫助指示實例化的目標及數量

100：target = foo 為從 IFoo_0、IFoo_1 至 IFoo_100 共100個介面，target =bar 則僅為 IBar_100；
1000：target = foo 為從 IFoo_0、IFoo_1 至 IFoo_1000 共1000個介面，target = bar 則僅為 IBar_1000；
5000：target = foo 為從 IFoo_0、IFoo_1 至 IFoo_5000 共5000個介面，target =bar 則僅為 IBar_5000；
10000：target = foo 為從 IFoo_0、IFoo_1 至 IFoo_10000 共10000個介面，target =bar 則僅為 IBar_10000；

-c|cache

快取行為，cache = false 時每次都構建委託，cache = true 則把構建委託快取起來重複使用。GetRefService()實現如下，GetExpService()和GetEmitService()相似。

static void GetRefService(Type type, Boolean cache)  {      var site = _expEngine.CallSiteFactory.CreateCallSite(type, new CallSiteChain());      Func<ServiceProviderEngineScope, object> func;      if (cache)      {          func = _expEngine.RealizedServices.GetOrAdd(type, scope => _expEngine.RuntimeResolver.Resolve(site, scope));      }      else      {          func = scope => _expEngine.RuntimeResolver.Resolve(site, scope);          _expEngine.RealizedServices[type] = func;      }      if (func == null)      {          _logger.Warn("Cache miss");          return;      }      var obj = func(_expEngine.Root);      if (obj == null)      {          throw new NotImplementedException();      }  }

-l|loop

重複執行若干次，每次均記錄測試時長

static void TestBar(Action<Type, Boolean> handle, String method, Boolean cache, Type type)  {      _watch.Restart();      handle(type, cache);      _watch.Stop();      _logger.Info("method {0}, cache {1}, target {2}, cost {3}",          method, cache, type.Name, _watch.ElapsedMilliseconds);  }    ...  TestBar(handle, method, false, number);  for (int i = 1; i < loop; i++)  {      TestBar(handle, method, cache, number);  }

由於本測試的重點是對比使用反射、表達式樹與 emit 的性能與開銷，故程式啟動後首先遍歷 ServiceCollection 對每個組件調用 CallSiteFactory.CreateCallSite(Type serviceType)，確保組件的上下文已經被創建和快取。

啟動測試

對以上參數進行組合，得到以下啟動方式，測試結果非同步寫入日誌文件供後續解析。

# 啟用委託快取行為，實例化以 IFoo_ 作為命名前綴注入的服務  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t foo -c true -n 100 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t foo -c true -n 1000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t foo -c true -n 5000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t foo -c true -n 10000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t foo -c true -n 100 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t foo -c true -n 1000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t foo -c true -n 5000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t foo -c true -n 10000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t foo -c true -n 100 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t foo -c true -n 1000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t foo -c true -n 5000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t foo -c true -n 10000 -l 100    # 禁用委託快取行為，實例化以 IFoo_ 作為命名前綴注入的服務  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t foo -c false -n 100 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t foo -c false -n 1000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t foo -c false -n 5000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t foo -c false -n 10000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t foo -c false -n 100 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t foo -c false -n 1000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t foo -c false -n 5000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t foo -c false -n 10000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t foo -c false -n 100 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t foo -c false -n 1000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t foo -c false -n 5000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t foo -c false -n 10000 -l 50    # 啟用委託快取行為，實例化 IBar_100、IBar_1000、IBar_5000、IBar_10000  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t bar -c true -n 100 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t bar -c true -n 1000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t bar -c true -n 5000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t bar -c true -n 10000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t bar -c true -n 100 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t bar -c true -n 1000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t bar -c true -n 5000 -l 100  # ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t bar -c true -n 10000 -l 100 # 請求無法完成，拋出 IL 相關異常  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t bar -c true -n 100 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t bar -c true -n 1000 -l 100  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t bar -c true -n 5000 -l 100  # ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t bar -c true -n 10000 -l 100 # 請求無法完成，拋出 IL 相關異常    # 禁用委託快取行為，實例化 IBar_100、IBar_1000、IBar_5000、IBar_10000  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t bar -c false -n 100 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t bar -c false -n 1000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t bar -c false -n 5000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m ref -t bar -c false -n 10000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t bar -c false -n 100 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t bar -c false -n 1000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t bar -c false -n 5000 -l 50  # ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m exp -t bar -c false -n 10000 -l 50 # 請求無法完成，拋出 IL 相關異常  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t bar -c false -n 100 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t bar -c false -n 1000 -l 50  ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t bar -c false -n 5000 -l 50  # ./LeoninewAxe.Scaffold.DependencyInjection.App.exe -m emit -t bar -c false -n 10000 -l 50 # 請求無法完成，拋出 IL 相關異常

值得一提的是，表達式樹和 emit 均無法完成 IBar_10000 的實例化，執行中拋出相同異常 "System.InvalidProgramException: The JIT compiler encountered invalid IL code or an internal limitation."