今日からできる！簡単 .NET 高速化 Tips -2024 edition-

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C# パフォーマンス勉強会 2024/4/27 (土) 鈴木孝明今日からできる！簡単 .NET 高速化 Tips - 2024 edition -

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Name 鈴木孝明 a.k.a @xin9le Work Application Engineer Award Microsoft MVP (2012/7 -) Web Site https://about.xin9le.net About

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.NET 9 Contributor https://github.com/dotnet/runtime/pull/96574

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速さは正義

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顧客への価値提供が最優先「まず MVP (Minimum Viable Product) から始めよ」は真理 Done is better than perfect. そのために見限るものは多い仕様変更 / 機能削減はソフトウェア開発では茶飯事その中でパフォーマンスは最も後回しにされがちなものの代表よくある光景

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ソフトウェアは速くて困ることはない

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最善手はボトルネック改善遅い部分を調査 / 把握して解決すると一気に改善するものリリース後に問題になってからやるのが一般的実装時からできることもあるちょっとした工夫でできることはやって損しない今日はそんなコーディングテクニック集を持ってきました高速化 = 地道 + チリツモ

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No content

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狂気に満ちた世界 (其の壱 https://speakerdeck.com/neuecc/cedec-2018...

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狂気に満ちた世界 (其の弐 https://learning.unity3d.jp/3305/

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狂気に満ちた世界 (其の参 https://speakerdeck.com/neuecc/cedec-2023...

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1. ヒープアロケーションを避けるメモリの再利用とスタック領域の活用を徹底しよう 2. 非同期 I/O を使う CPU は高価なリソースなので、待ち時間を与えず使い切ろう 3. 計算効率を上げる高効率アルゴリズムで単位時間あたりの計算回数を増やそう高速化のポイント 3 選

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これだけは絶対に守ってください、お願いします…！マジで！ Special notes

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.First() 好き過ぎ問題運が悪いと 100 万要素の末尾にあるかもしれない「インデックスの張り忘れ」と並ぶタイムアウト理由 (当社比ループの中での線形探索 foreach (var student in students) { // O(n) になるこのパターンが本当に多い…！ // ラムダ式で変数キャプチャもされるし、良いことがない var score = scores.First(x => x.StudentId == student.Id); // 事前に Dictionary を作っておくだけで O(1) 検索になって爆速 var score = scoreByStudentId[student.Id]; }

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不必要に具象型を要求しない高速化都合など、メソッド内に不可避な理由がある場合を除くライブラリ層でもない限り、IE など抽象的な型を使うのが吉コレクションの型合わせ // 型合わせのための .ToArray() でメモリコピーを無駄に発生させる List values = [0, 1, 2, 3, 4]; DoSomething(values.ToArray()); // 型遊びしてないで引数を直せ！ // 特段の理由がないのに具象型を要求する引数を作ってしまう static void DoSomething(int[] values) { foreach (var x in values) { } }

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動的なバッファ拡張を極力避ける .Add() しただけで「2 倍のメモリ確保 + 全要素コピー」が発生もはや下手なコードより LINQ の方がずっと効率的コレクションの初期容量を指定 int[] values = [0, 1, 2, 3, 4]; var list = new List(capacity: values.Length); foreach (var x in values) { // 初期容量を指定しない場合、最後の要素を追加するときに // 2 倍の内部バッファ確保と全要素コピーが発生 list.Add(x * x); } 超大事！

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.Result / .Wait() はダメ。ゼッタイ。本質的に 1 スレッドで実行できる処理に 2 スレッド使うことになる開発フレームワークによってはデッドロックする可能性も Sync over async public int DoSomething() { var result = CallDependencyAsync().Result; return result + 1; } public async Task DoSomethingAsync() { var result = await CallDependencyAsync(); return result + 1; }

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とりあえず速いものに巻かれろ Use high performance tools

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.NET 8 何年にも渡る地道な改善で .NET Framework より何倍も速い新規プロジェクトでは完全に一択 C# 12 C# 7.x 以降はパフォーマンスを意識した改善がたくさん後方互換があるのでサッサと更新して最新の言語機能を使おう最速の開発/実行環境

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MemoryPack MessagePack for C# より速いバイナリシリアライザ C# のメモリ構造をほぼそのままバイナリデータに変換している MessagePack for C# .NET 界最速の MessagePack シリアライザ SignalR の標準シリアライザとして採用されるくらい爆速最速のシリアライザ

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最速の Enum (FastEnum) https://github.com/xin9le/FastEnum

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構造体を上手に使うのが最近の C# / .NET のトレンド Prefer struct

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ガベージコレクションの発動頻度を低減 GC の発動はパフォーマンスを瞬間的に大きく低下させる特に Frame ベースのアプリ (Unity など) では気を配ると良いメンバーアクセスが高速値型 : スタック領域にあるのでそのまま直アクセス参照型 : ヒープ領域まで辿ってアクセス構造体の優位性

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高頻度で値のコピーが発生引数 / 戻り値 / 変数への代入、関数呼び出しサイズの大きい構造体の場合、逆にコストになる継承 / 多態ができない現状 interface + 拡張メソッドを駆使するしかない構造体の欠点 16 bytes 程度を目途に Defensive Copy

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性能劣化に直結するコピーを抑止構造体のサイズが大きいときに検討したい参照渡し (ref / in / out) 常に気を配る static void Main() { var a = 1; ref var d = ref PassThrough(ref a); d = 2; } static ref int PassThrough(ref int b) { ref var c = ref b; return ref c; }

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Defensive Copy の発生 Readonly 保証のためにコピーを作って関数 call をする場合があるコピー回数削減どころか、逆にコピー回数が増えることも in (ref readonly) 引数の難しさ // Bar() がフィールドを // 書き換えていない保証がない struct Foo { public readonly int X; public void Bar(){} } // せっかく参照渡ししたけど… void Call(in Foo x) { var a = x.X; // コピーなし x.Bar(); // 防衛的コピー x.Bar(); // 防衛的コピー }

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Defensive Copy の抑止全フィールドが書き換えられないことを保証 readonly struct (C# 7.2) 可能な限りつける // 書き換えていない保証をする readonly struct Foo { public readonly int X; public void Bar(){} } // 読み取り専用の参照渡しが効果を発揮 void Call(in Foo x) { var a = x.X; // コピーなし x.Bar(); // コピーなし x.Bar(); // コピーなし }

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Defensive Copy の抑止関数内でフィールドの書き換えがないことを保証 struct Foo { public int X; public int Y; public readonly int Add() => X + Y; public int Sub() => X - Y; } readonly 関数メンバー (C# 8.0) // 関数単位で挙動が決まる void Call(in Foo x) { x.Add(); // コピーなし x.Sub(); // 防衛的コピー } 可能な限りつける struct でのみ適用可能

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コピー抑止構造体の拡張メソッドを作るときには積極的に参照渡しにしたい防衛的コピー周りの理由で Generics における in 引数にはできない参照渡しの拡張メソッド // OK public static void Foo(ref this int value){} public static void Foo2(in this int value){} // struct 制約があれば ref 引数は OK public static void Foo3(ref this T value) where T : struct {}

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参照渡しの演算子 overload コピー抑止 in 引数のみ認めらているので防衛的コピーに注意 readonly struct Complex { public double R { get; } public double I { get; } public Complex(double r, double i) => (this.R, this.I) = (r, i); // in 引数が認められるようになった public static Complex operator +(in Complex x, in Complex y) => new Complex(x.R + y.R, x.I + y.I); }

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Good-bye 匿名型 / Tuple LINQ みたいな局所的な利用 / 多値戻り値には最適言語機能にも統合されているので書き心地も最高 ValueTuple // ValueTuple : スタック利用 var q1 = collection.Select(x => (value: x, power: x * x)); // 匿名型 : ヒープ利用 var q2 = collection.Select(x => new { Value = x, Power = x * x }); // Tuple : ヒープ利用 (名前を付けられない) var q3 = collection.Select(x => Tuple.Create(x, x * x));

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連続したメモリ領域を直参照ザックリ言うと、ポインタアクセスを managed に行う仕組み配列や文字列をメモリ再確保なしに一部分だけ参照できる Span const string text = “ab123cd”; var span = text.AsSpan(2, 3); var sub = text.Substring(2, 3); a b 1 2 3 c d 1 2 3 text sub span

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ゼロ初期化されたメモリ領域に直書きこれまで unsafe を使わないとできなかった最適化 string 初期化時のメモリコピーを削減できるので高速 String.Create static string ToBitString(byte value) => string.Create(8, value, (buffer, state) => { const byte on = 0b_0000_0001; for (var i = 0; i < buffer.Length; i++) { buffer[buffer.Length - 1 - i] = ((state >> i & on) == on) ? '1' : '0'; } }); static void Main() { byte b = 0b_0110_1011; var s = ToBitString(b); // s : "01101011" }

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スタック領域に配列を安全に確保利用期間が短く、小さなサイズの配列を扱いたいときに活躍 unmanage 型限定 / 非同期メソッドの中では利用不可 (※ 式中では OK) stackalloc // byte 配列に乱数を格納 Span buffer = stackalloc byte[64]; Random.Shared.NextBytes(buffer); // ファイルに書き込み using var file = File.OpenWrite(path); file.Write(buffer);

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「え、それ box 化するんだ？」は勿体ない！ Avoid boxing

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Box 化の雨あられ Generics のない C# 1.0 時代の黒歴史値型を扱うと特に遅くて全く使い物にならない (10 倍以上遅い) 今すぐ殲滅せよ！変更先は System.Collections.Generics もう使っている人はいないと信じたい産廃 : System.Collections

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enum : 値型 / System.Enum : 参照型 System.Enum に値を代入すると box 化する C# 7.3 以降では Generics の Enum 制約を使うことで回避できる System.Enum 型の罠 // 引数に渡したときに box 化 static void Foo(Enum value) {} // Generics 制約を使うと box 化しない static void Foo(T value) where T : struct, Enum {}

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interface に型変換すると Box 化ちょっと気を抜くとすぐにヒープ送りにされる Generics を使う or 脱仮想化で box 化を回避構造体を interface 型として使う // 引数で box 化が発生して遅い static void Interface(IDisposable x) => x.Dispose(); // .NET Core 2.1 以降の場合 // 脱仮想化という最適化がかかる static void NonGeneric(X x) => ((IDisposable)x).Dispose(); // 安定して高速 static void Generic(T x) where T : IDisposable => x.Dispose();

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知らぬ間にできるインスタンスに気を配る Avoid hidden instancing

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ヒープ確保と利便性とのトレードオフ LINQ やイベントコールバックなどで高頻度で利用よく通るコードパスでは敢えてキャプチャしない書き方も検討変数キャプチャ = 隠しクラス // 変数 id が FirstOrDefault にキャプチャされている static async Task GetAsync(int id) { var people = await QueryFromDbAsync(); return people.FirstOrDefault(x => x.Id == id); }

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「=>」にカーソルを合わせる ToolTip にキャプチャされている変数が表示される変数キャプチャされないコードを書くときの参考にしましょう変数キャプチャを確認

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拡張メソッドを自作すると便利 // ラムダ式の中で利用したい変数を state として別途渡すことでキャプチャを回避 public static T? FirstOrDefault( this IEnumerable source, TState state, Func predicate) { foreach (var x in source) { if (predicate(x, state)) return x; } return default; } // こんな感じで使う .FirstOrDefault(id, static (x, state) => x.Id == state);

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意図しない変数キャプチャを防止ローカル関数のキャプチャは高速だけど若干のペナルティはある静的ローカル関数 (C# 8.0) // ローカル関数 (C# 7.0 以降) static void Main() { var a = 3; var b = 4; var result = LocalFunction(a); int LocalFunction(int x) => x + b; // b をキャプチャしてる } // 静的ローカル関数 (C# 8.0 以降) static void Main() { var a = 3; var b = 4; var result = LocalFunction(a); static int LocalFunction(int x) => x + b; // コンパイルエラー }

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キャプチャ防止 + デリゲートキャッシュ static がないと不安になるくらい溺愛すべし！静的ラムダ式 (C# 9.0) var x = 10; var result = Enumerable.Range(0, 10) .Where(x => x % 2 is 0) .ToDictionary(x => x, y => x * x); var x = 10; var result = Enumerable.Range(0, 10) .Where(static x => x % 2 is 0) .ToDictionary(static x => x, static y => x * x); static の加護でエラーに気付き難いバグ

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変数キャプチャの外出し static void Main() { // 途中で return していても // 関数の最初で隠しインスタンスが // 生成されてしまう var id = 0; if (true) return; // このコードは通らないのに理不尽！ Foo(x => x == id); } static void Main() { // 隠しインスタンスの生成なし var id = 0; if (true) return; CallFoo(id); } // 変数キャプチャされるコードパスを // 別関数にすることで効率化 static void CallFoo(int id) => Foo(x => x == id);

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async の正体は State Machine コンパイラがひっそりと class / struct を作って実現している await する必要がないなら async を積極的に消す不要な async 修飾子 // 隠れインスタンスが生成される static async Task DoAsync() => await Task.Delay(300); // 推奨 : これは全く無駄がない static Task DoAsync() => Task.Delay(300); // async だけ付いてるのも無駄 // 警告 (CS1998) を無視しない static async Task DoAsync() { // await しなくても動くけど }

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時間とリソースを有効に使おう Prefer asynchronous

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I/O 待ち = CPU が暇してる CPU は最も高価な計算リソース余裕を持たせ過ぎるではなく十分に「使い切る」ことが重要非同期 I/O を利用 // RSS を取得している間 CPU が暇 var url = "http://blog.xin9le.net/rss"; var node = XElement.Load(url); // これなら通信待ちを別処理に有効活用できる var url = "http://blog.xin9le.net/rss"; var client = new HttpClient(); var rss = await client.GetStringAsync(url); var node = XElement.Parse(rss);

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処理時間を大幅に短縮できるそれぞれの処理が独立していることが前提並列処理を積極的に検討 // 直列 await HogeAsync(); await FugaAsync(); await MogeAsync(); // 並列 var t1 = HogeAsync(); var t2 = FugaAsync(); var t3 = MogeAsync(); await Task.WhenAll(t1, t2, t3); t t Parallel 型の利用も検討

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Task / IValueTaskSource をラップした構造体 await を跨がない限り内部に持つ Task 型を生成しない原則 ValueTask で統一するくらいの気持ちで積極的に使う await を通らない可能性を考慮他人に主導権があるコードはどう実装されるか分からない ex.) abstract / virtual / interface メソッド ValueTask

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CoreFx は ValueTask の API が乏しい .WhenAll / .WhenAny / .Lazy など、必須級の不足 API を補う .AsTask() するよりもヒープアロケーションを抑えられて高速 ValueTaskSupplement (by Cysharp) // .WhenAll をこんな感じでエレガントに書ける var (foo, bar) = await (FooAsync(), BarAsync()); // 遅延実行もできる (AsyncLazy とか不要) var lazy = ValueTaskEx.Lazy(async () => await Task.Delay(300)); await lazy; https://github.com/Cysharp/ValueTaskSupplement

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他にもある細々したやつ Miscellaneous

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Static Type Caching public static class FastEnum { public static IReadOnlyList GetValues() where T : struct, Enum => Cache.Values; // キャッシュを直接参照 // 静的 Generics 型のフィールドにキャッシュを持つ private static class Cache where T : struct, Enum { public static readonly T[] Values; static Cache() => Values = (T[])Enum.GetValues(typeof(T)); } } T 型ごとに別の型扱い

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呼び出しコスト ≒ 0 Dictionary から Lookup するよりもずっと速い BenchmarkDotNet が「計測できない」と音を上げるレベル静的コンストラクタで事前計算静的コンストラクタはスレッドセーフが保証されているロックフリーにできるので、呼び出しコスト低減に大きく寄与 Static Type Caching

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.NET Core 時代は配列も再利用頻繁に発生するメモリの確保と破棄はパフォーマンス悪化のもと .NET Core / .NET Standard (2.1 以降) では積極的に活用すべし ArrayPool var array = ArrayPool.Shared.Rent(50); try { // レンタルした配列を使って何かする } finally { ArrayPool.Shared.Return(array); }

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DefaultInterpolatedStringHandler の活用 Append しかできないが、アロケーションなしで高効率構造体版の StringBuilder string result; var builder = new DefaultInterpolatedStringHandler(0, 0); try { builder.AppendLiteral("現在時刻 : "); builder.AppendFormatted(DateTimeOffset.Now); } finally { result = builder.ToStringAndClear(); } // 現在時刻 : 2024/04/14 23:17:25 +09:00

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内部バッファを Span で直接触る virtual call や Enumerator を介したループを排除境界値チェックも外れる List の高速なイテレーション List list = [0, 1, 2, 3, 4]; var span = CollectionsMarshal.AsSpan(list); foreach (var x in span) { // Do something with x } Span を取り出し

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Frozen Collection 初速を犠牲にして Read 処理を高速化した特化コレクション NuGet で Backport 版が提供されているので .NET Fx でも利用可能 NuGet Gallery | System.Collections.Immutable NO MORE yield return; IEnumerator を構造体で自作することでアロケーション削減 C# がダックタイピングを採用していることを利用したハック他にもまだまだ色々…

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今日、これだけは持って帰りましょう！ Conclusion

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実装時からできることはやって損しないちょっとポイントを押さえると、実は難しくない！よく通るコードパス / 共通ライブラリに特に目を向ける速いコードを書くクセをつけるソフトウェアは速くて困ることはない常に練習と思って意識的に取り組む高速化 = 地道 + チリツモ

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1. ヒープアロケーションを避けるメモリの再利用とスタック領域の活用を徹底しよう 2. 非同期 I/O を使う CPU は高価なリソースなので、待ち時間を与えず使い切ろう 3. 計算効率を上げる高効率アルゴリズムで単位時間あたりの計算回数を増やそう高速化のポイント 3 選 (再掲)