深度探秘.NET 5.0

• 2020 年 11 月 15 日
• 筆記
• .NET Core, .NET Framework, .NET Research, c#

今年11月10號 .NET 5.0 如約而至。這是.NET All in one後的第一個版本，雖然不是LTS(Long term support)版本，但是是生產環境可用的。

有微軟的背書，微軟從.NET Preview 1就開始在自己的網站上運行.NET 5, (Bing.com、dot.net已升級並運行了數個月)，同時早期的.NET Core版本可以直接升級到.NET 5. 所以大家可以放心使用的。

接下來，我們探秘.NET 5.0這次帶來了哪些新的特性。

一、.NET 5.0 的一些亮點(Highlights)

1. 通過線上（生產環境）測試（battle-tested) : .NET5.0 通過在Bing.com和dot.net 託管運行數個月，全面通過了線上驗證，這證明這個版本是生產可用的

2. 性能大幅提升：GC、JIT、正則表達式、多執行緒和非同步處理、集合、LINQ、網路訪問、JSON序列化、gRPC等等，了解詳細可以訪問

• • Performance Improvements in .NET 5.0
  • Arm64 Performance in .NET 5.0
  • gRPC.

3. C# 9和F# 9 的語音提升：例如C＃9的頂級程式和記錄，而F＃5提供了互動式編程，並提高了.NET上的功能性編程的性能。

4. .NET庫增強了Json序列化，正則表達式和HTTP（HTTP 1.1，HTTP / 2）的性能。這一點在第二條中已經有所涉及。

5. P95 的延遲有所減少，得益於GC、分層編譯和其他組件的一些改進

6.更好、更靈活的應用部署選項：ClickOnce客戶端應用程式發布，單文件應用程式，減小的容器映像大小以及添加的Server Core容器映像。

7.平台支援的範圍進一步擴展：Windows Arm64和WebAssembly

 二、再看統一平台的願景

   2019年5月6號，微軟發布了.NET 5.0 統一平台的願景：將來只會有一個.NET，您將可以使用它來定位Windows，Linux，macOS，iOS，Android，tvOS，watchOS和WebAssembly等。

   實現這一願景的第一步是整合.NET倉庫，即：整合關鍵的.NET程式碼庫， 其中包括很大一部分的Mono。為.NET運行庫和庫提供一個存儲庫是在各處交付相同產品的前提。Blazor是利用程式碼合併和.NET統一的最佳示例。Blazor WebAssembly的運行時和庫現在是從合併的dotnet /運行時倉庫中構建的。這意味著伺服器上的Blazor WebAssembly和Blazor使用與完全相同的程式碼List<T>。

   程式碼整合後，.NET Framework怎麼辦？

   .NET Framework仍然是受支援的Microsoft產品，並且每個新版本的Windows都將繼續支援.NET Framework。去年，微軟宣布已停止向.NET Framework添加新功能，並已向.NET Core添加.NET Framework API。

   這就意味著，.NET Framework已經停更了，版面目前停留在.NET Framework 4.8. 

   這也是沒辦法的事情，統一後的.NET, 從.NET5.0開始迭代了。這次.NET 5.0的Release列表也能發現這個情況：

    在上述情況下，目前是將.NET Framework升級到.NET Core的最佳時機了。如果比較在意LTS版本，也可以等到明年.NET 6統一升級。對於此，微軟的建議是：

    對於.NET Framework客戶端開發人員，.NET 5.0支援Windows窗體和WPF。

    對於.NET Framework伺服器開發人員， 如果採用ASP.NET Core才能使用.NET 5.0。

    對於Web Forms開發人員，Blazor通過高效且更加現代的實現方式提供類似的開發人員體驗。

    對於WCF伺服器和Workflow用戶可以查看支援這些框架的社區項目。

    以上，對於統一後的.NET 5.0, 廣大.NET Developers 可以放心、開心地去擁抱這次升級和統一，這代表了.NET的未來。

 三、深入看一下程式語言層面的提升（C# 9 和 F# 5）

   C#9和F#5是.NET 5.0版本的一部分，被包含在.NET 5.0 SDK中。接下來詳細看一下C# 9 的一些語言新特性（F# 5用的比較少，不再做詳細介紹）：

  1. Top-level programs 頂級程式

   大家會問這是什麼？這是在頂級編寫程式的一種更簡單的方式：一個更簡單的 Program.cs 文件。

   我們知道，原先在Program類中，必須有Main函數，這是程式的一個EntryPoint入口。

using System;

namespace NET5Demo
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Console.WriteLine("Hello World!");
        }
    }
}

   .NET 5引入Top-level programs 後，我們不需要寫Main函數了。可以直接這麼寫：

System.Console.WriteLine("Hello World!");

 大家會有疑問，真的沒有Main函數了嗎？其實這是個語法糖，我們通過IL Spy看一下反編譯後的程式碼：

  2. 邏輯模式和屬性模式匹配(Logical and property patterns)

  我們可以使用not or and 實現更強的更靈活的邏輯模式匹配：

  先看一個邏輯匹配的Demo：

var input = Console.ReadKey();
if (input.KeyChar is 'Y' or 'y')
{
    Console.WriteLine("You choosed yes!");
}

  再看一個Switch的Demo：

int score = 90;
switch (score)
{
    case 0:
        Console.WriteLine("0分.");
        break;
    case > 0 and <= 60:
        Console.WriteLine("合格.");
        break;
    case > 60 and <= 80:
        Console.WriteLine("優秀.");
        break;
    case > 80 and <= 100:
        Console.WriteLine("卓越.");
        break;
}

 屬性模式匹配：通過兩個{}，實現對對象屬性的模式匹配。

Type type = Type.GetType("System.String");
if (type is not null and { FullName: "System.String" })
{
    Console.WriteLine("It's type is System.String.");
}

  3. record類型

  record是一個新增的引用類型，與class很像，那麼大家會問？為什麼增加一個record類型呢？它的使用場景是什麼呢？

  答案：為了方便比較數據是否一致。我們寫個程式碼示意一下：

  假設我們有個User類，包含ID、Name、Gender、Tel幾個屬性，如果我們要對比2個User對象是否相等，我們可能需要逐個屬性對比，或重寫Equals、GetHashCode方法。

  那麼如果我們用record類型呢？

record User(int Id, string Name, int Gender, string Tel);

 做個對象對比的Demo：

if (userA == userB)
{
    Console.WriteLine("這是一個用戶.");
}

 總結一下：record類型讓開發省去了重寫相等比較的業務邏輯，同時簡化了類型定義和初始化。

 4. 可空註解的提升

  目前.NET library 類庫，已經全面設置了是否可空註解。其實這個特性其實在C# 8.0已經引入：C#8.0 引入了「可為空引用類型」和「不可為空引用類型」，使你能夠對引用類型變數的屬性作出重要聲明 ：

  #nullable enable
  class A{ }

  即.NET 5.0的類庫中已經全面更新了這個註解，方便開發時進行查看。

  同時，這次引入新的成員是否為空的註解：MemberNotNull 和 MemberNotNullWhen，例如以下的程式碼：

class UserManager
{
    User user = new User(1, "小米", 1, "123456789");

    [MemberNotNull(nameof(user))]
    public string GetUserName(string id)
    {
        return user.Name;
    }
}

  編譯器會智慧提示：CS8602警告

 四、工具類的新變化

  .NET 5.0 改進了Windows窗體設計器，更改了目標框架適用於.NET 5.0及更高版本的方式，更改了WinRT的支援方式，以及其他的一些改進。

  1. Windows窗體設計器：winform設計器

   Windows Forms設計器（用於.NET Core 3.1和.NET 5.0）已經在Visual Studio 16.8中進行了更新，現在支援所有Windows Forms控制項。它還支援WinForms控制項的Telerik UI。設計器包括您期望的所有設計器功能，包括：拖放，選擇，移動和調整大小，剪切/複製/粘貼/刪除控制項，與屬性窗口集成，事件生成等。數據綁定和對更廣泛的第三方控制項的支援即將推出。

   2. .NET 5.0目標框架

   新增一個Console類型工程後，選擇目標框架是.NET 5.0, 其Project文件內容是這樣的：

   新增一個Windows窗體應用工程後，選擇目標框架是.NET 5.0, 其Project文件內容是這樣的：

   Windows桌面API（包括Windows窗體，WPF和WinRT）僅在定位時可用net5.0-windows。同時也可以指定作業系統版本，例如net5.0-windows7或net5.0-windows10.0.17763.0（對於Windows October 2018 Update）。

   如果要使用WinRT API，則需要定位Windows 10版本。

   總結一下：

• net5.0 是.NET 5.0的新目標框架綽號，Target Framework Moniker（TFM）。
• net5.0結合併替換netcoreapp和netstandard TFM。
• net5.0支援.NET Framework兼容模式
• net5.0-windows 將用於公開Windows特定功能，包括Windows窗體，WPF和WinRT API。
• .NET 6.0將使用相同的方法，並帶有net6.0和將添加net6.0-ios和net6.0-android。
• 特定於作業系統的TFM可以包含作業系統版本號，例如net6.0-ios14。
• 可移植的API（如ASP.NET Core）可與一起使用net5.0。帶有的Xamarin形式也是如此net6.0。

  3. WinRT Interop的重大改進

   在以Windows API為目標這一主題上，微軟已經移至一個新模型，以作為.NET 5.0的一部分來支援WinRT API。這包括調用API（在任一方向上； CLR <==> WinRT），兩個類型系統之間的數據封送處理以及打算在類型系統或ABI邊界上統一對待的類型的統一（即「投影類型」 」，IEnumerable<T>並且IIterable<T>是示例）。

   從.NET 5.0開始，原有的WinRT互操作體系已被移除。這是一個巨大的變化。這意味著使用WinRT和.NET Core 3.x的應用程式和庫需要重新開發對接，並且不能按原樣在.NET 5.0上運行。

   使用WinRT API的庫將需要多目標來管理.NET Core 3.1和.NET 5.0之間的這種差異。

   未來，.NET 將依靠Windows中的WinRT團隊提供的新CsWinRT工具。它生成基於C＃的WinRT互操作程式集，可以通過NuGet交付該程式集。Windows團隊正是針對Windows中的WinRT API所做的。希望將WinRT（在Windows上）用作互作業系統的任何人都可以使用該工具，以將本機API公開給.NET或將.NET API公開給本機程式碼。

   關於CsWinRT工具，已經發布了1.0版本，具體可以參考鏈接：//blogs.windows.com/windowsdeveloper/2020/11/10/announcing-c-winrt-version-1-0-with-the-net-5-ga-release/

   4. .NET Native Export/ .NET 本地導出

    即本機二進位文件啟用導出功能。

   .NET 開發團隊的Aaron Robinson一直在從事.NET Native Exports項目，該項目為將.NET組件作為本機庫發布提供了更完整的體驗。

   .NET Native導出項目能夠實現：

• 公開自定義的本地出口。
• 不需要像COM這樣的高級互操作技術。
• 跨平台工作

   類似的實現技術，還有：

• Unmanaged Exports
• DllExport

   5. 事件管道

   事件管道是在.NET Core 2.2中添加的新子系統和API，可以在任何作業系統上執行性能和其他診斷調查。

   在.NET 5.0中，事件管道已得到擴展，以使事件探查器能夠寫入事件管道事件。

   對於以前依靠ETW（在Windows上）監視應用程式行為和性能的分析探查器，來說是一個很好的方案和選擇。

   這裡不做詳細展開了。

   6. 轉儲調試，Dump分析調試

   調試託管程式碼需要了解託管對象和構造。數據訪問組件（DAC）是運行時執行引擎的子集，該引擎具有這些構造的知識，並且可以在沒有運行時的情況下訪問這些託管對象。

   現在，可以使用WinDBG或Windows在Windows上分析在Linux上收集的.NET Core進程轉儲dotnet dump analyze。

   本次發布還增加了對從macOS上運行的.NET進程捕獲ELF轉儲的支援。由於ELF不是lldbmacOS上的本機可執行文件（像這樣的本地調試器將無法與這些轉儲一起使用）文件格式，因此我們將其設為啟用功能。

   要在macOS上支援轉儲收集，請設置環境變數COMPlus_DbgEnableElfDumpOnMacOS=1。可以使用來分析產生的轉儲dotnet dump analyze。

   7. 列印環境資訊

   隨著.NET擴展了對新作業系統和晶片體系結構的支援，有時需要一種列印環境資訊的方法。.NET 5.0 創建了一個簡單的.NET工具來執行此操作，稱為dotnet-runtimeinfo。可以使用以下命令安裝和運行該工具:

dotnet tool install -g dotnet-runtimeinfo
dotnet-runtimeinfo

   五、運行時和類庫的提升

    1. RyuJIT的程式碼品質提升

    2. GC垃圾回收

• Card mark stealing – dotnet/coreclr #25986  Server GC (on different threads) can now work-steal while marking gen0/1 objects held live by older generation objects. This means that ephemeral GC pauses are shorter for scenarios where some GC threads took much longer to mark than others.  ServerGC 中標記階段的耗時更短了
• Introducing Pinned Object Heap – dotnet/runtime #32283 — Adds the Pinned Object Heap (POH). This new heap (a peer to the Large Object Heap (LOH)) will allow the GC to manage pinned objects separately, and as a result avoid the negative effects of pinned objects on the generational heaps. 新增固定對象堆（POH）。此新堆（與大對象堆（LOH）對等）將允許GC單獨管理固定對象，從而避免固定對象對堆的負面影響。
• Allow allocating large object from free list while background sweeping SOH — Enabled LOH allocations using the free list while BGC is sweeping SOH. Previously this was only using end of segment space on LOH. This allowed for better heap usage.允許在後台掃描SOH時從空閑列表中分配大對象
• Background GC suspension fixes – dotnet/coreclr #27729 — Suspension fixes to reduce time for both BGC and user threads to be suspended. This reduces the total time it takes to suspend managed threads before a GC can happen. dotnet/coreclr #27578 also contributes to the same outcome. 掛起修復程式可減少BGC和用戶執行緒掛起的時間。這樣可以減少發生GC之前掛起託管執行緒所需的總時間。
• Fix named cgroup handling in docker — Added support to read limits from named cgroups. Previously we only read from the global one. 修復了docker中命名cgroup處理的問題—添加了對從命名cgroups讀取限制的支援
• Optimize vectorized sorting – dotnet/runtime #37159 — vectorized mark list sorting in GC which reduces the ephemeral GC pause time (also dotnet/runtime #40613). GC中的矢量化標記列表排序，減少了短暫的GC暫停時間
• Generational aware analysis – dotnet/runtime #40322 — generational aware analysis that allows you to determine what old generation objects hold on to younger generation objects thus making them survive and contribute to ephemeral GC pause time.GC代感知分析，能夠確定哪些舊世代對象保留在年輕代對象上，從而使它們得以生存並有助於短暫的GC暫停時間。
• Optimize decommitting GC heap memory pages – dotnet/runtime #35896 — optimized decommit, much better decommit logic and for Server GC took decommit completely out of the 「stop the world」 phase which reduced blocking GC pause time.優化了取消授權，更好的取消授權邏輯，對於Server GC，完全取消了「停止一切」階段的授權，從而減少了阻塞GC的暫停時間

     整體總結一下，Server GC延遲更低了，CPU消耗更少、性能更好了。

     3. Windows Arm64的支援

     .NET應用程式現在可以在Windows Arm64上本機運行。在.NET Core 3.0中添加的對Linux Arm64的支援（對glibc和musl的支援）。使用.NET 5.0，可以在Windows Arm64設備（例如Surface Pro X）上開發和運行應用程式。也可以通過x86模擬在Windows Arm64上運行.NET Core和.NET Framework應用程式。但是本機運行Arm64具有更好的性能。

     同時，.NET 5.0 SDK當前在Windows Arm64上不包含Windows桌面組件-Windows窗體和WPF。Windows Arm64上支援SDK，控制台和ASP.NET Core應用程式，但Windows桌面組件不支援。

     4. Arm64性能優化

     .NET 5.0 中主要針對Arm64平台做了以下優化：

• 調整Arm64的JIT優化（示例）
• 啟用並利用Arm64硬體內部函數（示例）。
• 調整Arm64庫中對性能至關重要的演算法（示例）。

     更多詳細資訊，請參見在.NET 5.0中提高Arm64性能。

      5. P95 +延遲改進

      Stack Overflow的一位工程師Nick Craver最近分享了他們升級.NET Core後，對延遲的改進：

      問題頁面的展現時間中值從大約21毫秒（由於GC而有所增加）降至約15毫秒。

      第95個百分位數從〜40ms下降到〜30ms（相同測量）。第99位從〜60ms降至〜45ms。

      .NET項目組的解讀是這樣的：固定對象一直是GC性能的長期挑戰，因為它們會加速（或導致）記憶體碎片。.NET 5.0為固定對象添加了新的GC堆。該固定對象堆是基於這樣的假設（以空間換時間），他們的存在會導致不相稱的性能挑戰極少數固定的對象。將固定的對象（尤其是由.NET庫作為實現細節創建的對象）移動到唯一的區域是有意義的，而垃圾回收代的GC堆幾乎沒有或沒有固定的對象，因此具有更高的性能。

       6. 分層編譯性能改進

       關於分層編譯，大家可以參考這個連接：//devblogs.microsoft.com/dotnet/tiered-compilation-preview-in-net-core-2-1

       在.NET 5.0中對分層編譯進行了兩項重大改進。下面這2段有點複雜，也比較晦澀

      分層編譯的主要機制是調用計數。一旦某個方法被調用了n次，運行時就會要求JIT以更高的品質重新編譯該方法。從最早的性能分析中，發現採用計數機制太慢，但是沒有找到解決該問題的直接方法。.NET 5.0中改進了分層JIT編譯所使用的調用計數機制，以平滑啟動期間的性能。在過去的發行版中，已經發現在進程生命周期的前10到15秒鐘內，性能會發生不可預測的變化（主要是針對Web伺服器）。目前應該已經解決了。

     另一個性能挑戰是對具有循環的方法使用分層編譯。根本的問題是，您可以使用帶有循環多次的循環的冷方法（僅調用一次或幾次； $ lt; n）。我們稱這種病理情況為「冷方法」。熱循環」。可以想像Main應用程式的方法會發生這種情況。結果，默認情況下，我們禁用了帶循環方法的分層編譯。相反，使應用程式可以選擇使用帶循環的分層編譯。在某些情況下看到了個位數的高性能改進後，PowerShell就是選擇執行此操作的應用程式。

     為了更好地解決循環問題，.NET 實現了棧上替換（OSR）。這類似於Java虛擬機具有的同名功能。OSR允許在方法執行過程中重新編譯當前正在運行的方法執行的程式碼，而這些方法是「堆棧上」活動的。該功能目前處於試驗和選擇啟用狀態，並且僅在x64上可用。

     要使用OSR，必須啟用多個功能。目前.NET 5.0中沒有啟用OSR，這個功能尚未決定在生產環境中是否啟用，所以這個技術點，了解即可。

      7. JSON序列化 System.Text.Json

      .NET 5.0 對System.Text.Json進行了顯著改進，以提高性能和可靠性，同時API儘可能地和Newtonsoft.Json類似。它還包括對將JSON對象反序列化對record類型的支援。

      同時微軟提供了System.Text.Json替換Newtonsoft.Json的遷移指南。該指南詳細闡明了這兩個API之間的關係。

      如何從 Newtonsoft.Json 遷移到 System.Text.Json

      JsonSerializer.NET 5.0中的性能顯著提高。Stephen Toub在.NET 5中的性能改進中介紹了一些JsonSerializer改進。

  六、應用程式部署

    應用程式開發完成後，根據實際的需要，可能會部署到Web伺服器，雲服務或客戶端電腦，或者使用Azure DevOps或GitHub Actions之類的服務進行CI/CD。

    .NET 5.0專註於改善單個文件應用程式，減小docker多階段構建的容器大小，並為使用.NET Core部署ClickOnce應用程式提供更好的支援。

    1. 容器

    與容器的交互協作非常重要。這個版本中添加了OpenTelemetry支援，可以從應用程式中捕獲分散式跟蹤和指標。dotnet-monitor是一個新工具，可以作為從.NET進程訪問診斷資訊的主要工具。特別是，我們已經開始構建dotnet-monitor的容器變體，您可以將其用作應用程式sidecar。同時，.NET項目組正在構建dotnet / tye，以提高微服務開發人員在開發和部署到Kubernetes環境中的效率。

   .NET運行時現在支援cgroup v2，這個API預計將在2020年以後成為與容器相關的重要API。Docker當前使用cgroup v1（.NET已支援）。相比之下，cgroup v2比cgroup v1更簡單，更有效且更安全。.NET 5.0將在cgroup v2環境中正常工作。

   除了Nano Server，微軟還將發布Windows Server Core映像，努力減小Windows Server Core映像的大小。

    更小的體積、更低的成本、更快的啟動性能。.NET 5.0中將SDK映像重新建立在ASP.NET映像之上，而不是buildpack-deps，這樣可以顯著減小在多階段構建方案中提取的聚合映像的大小。

    2. 單文件應用    

    單個文件應用程式作為單個文件發布和部署。該應用程式及其依賴項都包含在該文件中。當應用程式運行時，依賴項直接從該文件載入到記憶體中（不影響性能）。

    在.NET 5.0中，單個文件應用程式主要集中在Linux上。它們可以是框架相關的，也可以是獨立的。依賴於全局安裝的.NET運行時，依賴於框架的單個文件應用程式可能很小。自包含的單文件應用程式較大（由於帶有運行時），但不需要作為安裝前步驟就安裝.NET運行時，因此可以正常工作。通常，依賴框架對開發和企業環境有利，而對於ISV，獨立包含通常是更好的選擇。

    .NET Core 3.1製作了一個單文件應用程式版本。它將二進位文件打包到一個文件中以進行部署，然後將這些文件解壓縮到一個臨時目錄中以載入並執行它們。在某些情況下，這種方法會更好，但是希望為5.0構建的解決方案將是首選，並且會受到歡迎。  

    可以使用以下命令來生成單文件應用程式：

框架相關的單文件應用程式：
dotnet publish -r linux-x64 --self-contained false /p:PublishSingleFile=true
自包含的單文件應用程式：
dotnet publish -r linux-x64 --self-contained true /p:PublishSingleFile=true

　 3. ClickOnce

    ClickOnce一直是流行的.NET部署選項，歷史也比較悠久了。.NET Core 3.1和.NET 5.0 Windows應用程式現在支援它。   

     以上是.NET 5.0 發布後的技術梳理和整理，.NET 5.0作為.NET技術棧上近幾年一個重量級的里程碑，是All in one，統一平台的第一個版本。現在有微軟的背書，微軟從.NET Preview 1就開始在自己的網站上運行.NET 5, (Bing.com、dot.net已升級並運行了數個月)，同時早期的.NET Core版本可以直接升級到.NET 5. 所以大家可以放心使用的。我們也會逐漸將部分應用遷移升級到.NET 5.0. 以上是本次的一個分享。

    參考鏈接：

   //devblogs.microsoft.com/dotnet/announcing-net-5-0?WT.mc_id=DT-MVP-5003918

   //devblogs.microsoft.com/dotnet/performance-improvements-in-net-5/#json?WT.mc_id=DT-MVP-5003918

   //blogs.windows.com/windowsdeveloper/2020/11/10/announcing-c-winrt-version-1-0-with-the-net-5-ga-release?WT.mc_id=DT-MVP-5003918

周國慶

2020/11/15