.NET中创建对象的几种方式和对比

2024-07-28 16:19:03

在 .net 中，创建一个对象最简单的方法是直接使用 new (), 在实际的项目中，我们可能还会用到反射的方法来创建对象，如果你看过 Microsoft.Extensions.DependencyInjection 的源码，你会发现，为了保证在不同场景中的兼容性和性能，内部使用了多种反射机制。在本文中，我对比了常见的几种反射的方法，介绍了它们分别应该如何使用，每种的简易度和灵活度，然后做了基准测试，一起看看这之间的性能差距。

我按照使用的简易度和灵活度，做了下边的排序，可能还有一些其他的反射方式，比如 Source Generators，本文中只针对以下几种进行测试。

直接调用 ConstructorInfo 对象的Invoke()方法
使用 Activator.CreateInstance()
使用 Microsoft.Extensions.DependencyInjection
黑科技 Natasha
使用表达式 Expression
使用 Reflection.Emit 创建动态方法

使用标准反射的 Invoke 方法

Type typeToCreate = typeof(Employee);

ConstructorInfo ctor = typeToCreate.GetConstructor(System.Type.EmptyTypes);

Employee employee = ctor.Invoke(null) as Employee;

第一步是通过 typeof() 获取对象的类型，你也可以通过 GetType 的方式，然后调用 GetConstructor 方法，传入 System.Type.EmptyTypes 参数，实际上它是一个空数组 (new Type[0]), 返回 ConstructorInfo对象, 然后调用 Invoke 方法，会返回一个 Employee 对象。

这是使用反射的最简单和最灵活的方法之一，因为可以使用类似的方法来调用对象的方法、接口和属性等，但是这个也是最慢的反射方法之一。

使用 Activator.CreateInstance

如果你需要创建对象的话，在.NET Framework 和 .NET Core 中正好有一个专门为此设计的静态类，System.Activator, 使用方法非常的简单，还可以使用泛型，而且你还可以传入其他的参数。

Employee employee = Activator.CreateInstance<Employee>();

使用 Microsoft.Extensions.DependencyInjection

接下来就是在.NET Core 中很熟悉的 IOC 容器，Microsoft.Extensions.DependencyInjection，把类型注册到容器中后，然后我们使用 IServiceProvider 来获取对象，这里我使用了 Transient 的生命周期，保证每次都会创建一个新的对象

IServiceCollection services = new ServiceCollection();

services.AddTransient<Employee>();

IServiceProvider provider = services.BuildServiceProvider();

Employee employee = provider.GetService<Employee>();

Natasha

Natasha 是基于 Roslyn 开发的动态程序集构建库，直观和流畅的 Fluent API 设计，通过 roslyn 的强大赋能, 可以在程序运行时创建代码，包括程序集、类、结构体、枚举、接口、方法等, 用来增加新的功能和模块，这里我们用 NInstance 来创建对象。

// Natasha 初始化
NatashaInitializer.Initialize();

Employee employee = Natasha.CSharp.NInstance.Creator<Employee>().Invoke();

使用表达式 Expression

表达式 Expression 其实也已经存在很长时间了，在 System.Linq.Expressions 命名空间下，并且是各种其他功能 (LINQ) 和库(EF Core) 不可或缺的一部分，在许多方面，它类似于反射，因为它们允许在运行时操作代码。

NewExpression constructorExpression = Expression.New(typeof(Employee));
Expression<Func<Employee>> lambdaExpression = Expression.Lambda<Func<Employee>>(constructorExpression);
Func<Employee> func = lambdaExpression.Compile();
Employee employee = func();

表达式提供了一种用于声明式代码的高级语言，前两行创建了的表达式，等价于 () => new Employee()，然后调用 Compile 方法得到一个 Func<> 的委托，最后调用这个 Func 返回一个Employee对象

使用 Emit

Emit 主要在 System.Reflection.Emit 命名空间下，这些方法允许我们在程序中直接创建 IL (中间代码) 代码，IL 代码是指编译器在编译程序时输出的 "伪汇编代码", 也就是编译后的dll，当程序运行的时候，.NET CLR 中的 JIT编译器将这些 IL 指令转换为真正的汇编代码。

接下来，需要在运行时创建一个新的方法，很简单，没有参数，只是创建一个Employee对象然后直接返回

Employee DynamicMethod()
{
    return new Employee();
}

这里主要使用到了 System.Reflection.Emit.DynamicMethod 动态创建方法

 DynamicMethod dynamic = new("DynamicMethod", typeof(Employee), null, typeof(ReflectionBenchmarks).Module, false);

创建了一个 DynamicMethod 对象，然后指定了方法名，返回值，方法的参数和所在的模块，最后一个参数 false 表示不跳过 JIT 可见性检查。

我们现在有了方法签名，但是还没有方法体，还需要填充方法体，这里需要C#代码转换成 IL代码，实际上它是这样的

IL_0000: newobj instance void Employee::.ctor()
IL_0005: ret

你可以访问这个站点，它可以很方便的把C#转换成IL代码，https://sharplab.io/

然后使用 ILGenerator 来操作IL代码, 然后创建一个 Func<> 的委托, 最后执行该委托返回一个 Employee 对象

ConstructorInfor ctor = typeToCreate.GetConstructor(System.Type.EmptyTypes);

ILGenerator il = createHeadersMethod.GetILGenerator();
il.Emit(OpCodes.Newobj, Ctor);
il.Emit(OpCodes.Ret);

Func<Employee> emitActivator = dynamic.CreateDelegate(typeof(Func<Employee>)) as Func<Employee>;
Employee employee = emitActivator();

基准测试

上面我介绍了几种创建对象的方式，现在我开始使用 BenchmarkDotNet 进行基准测试，我也把 new Employee() 直接创建的方式加到测试列表中，并用它作为 "基线"，来并比较其他的每种方法，同时我把一些方法的预热操作，放到了构造函数中一次执行，最终的代码如下

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using Microsoft.Extensions.DependencyInjection;
using System;
using System.Linq.Expressions;
using System.Reflection;
using System.Reflection.Emit;

namespace ReflectionBenchConsoleApp
{
    public class Employee { }

    public class ReflectionBenchmarks
    {
        private readonly ConstructorInfo _ctor;
        private readonly IServiceProvider _provider;
        private readonly Func<Employee> _expressionActivator;
        private readonly Func<Employee> _emitActivator;
        private readonly Func<Employee> _natashaActivator;

        public ReflectionBenchmarks()
        {
            _ctor = typeof(Employee).GetConstructor(Type.EmptyTypes); 

            _provider = new ServiceCollection().AddTransient<Employee>().BuildServiceProvider(); 

            NatashaInitializer.Initialize();
            _natashaActivator = Natasha.CSharp.NInstance.Creator<Employee>();

            _expressionActivator = Expression.Lambda<Func<Employee>>(Expression.New(typeof(Employee))).Compile(); 

            DynamicMethod dynamic = new("DynamicMethod", typeof(Employee), null, typeof(ReflectionBenchmarks).Module, false);
            ILGenerator il = dynamic.GetILGenerator();
            il.Emit(OpCodes.Newobj, typeof(Employee).GetConstructor(System.Type.EmptyTypes));
            il.Emit(OpCodes.Ret);
            _emitActivator = dynamic.CreateDelegate(typeof(Func<Employee>)) as Func<Employee>;  

        }  

        [Benchmark(Baseline = true)]
        public Employee UseNew() => new Employee(); 

        [Benchmark]
        public Employee UseReflection() => _ctor.Invoke(null) as Employee;

        [Benchmark]
        public Employee UseActivator() => Activator.CreateInstance<Employee>();  

        [Benchmark]
        public Employee UseDependencyInjection() => _provider.GetRequiredService<Employee>();

        [Benchmark]
        public Employee UseNatasha() => _natashaActivator();

        [Benchmark]
        public Employee UseExpression() => _expressionActivator(); 

        [Benchmark]
        public Employee UseEmit() => _emitActivator(); 

    }
}

接下来，还修改 Program.cs，注意这里需要在 Release 模式下运行测试

using BenchmarkDotNet.Running; 

namespace ReflectionBenchConsoleApp
{
    public class Program
    {
        public static void Main(string[] args)
        {
            var sumary = BenchmarkRunner.Run<ReflectionBenchmarks>();
        }
    } 

}

测试结果

这里的环境是 .NET 6 preview5, 使用标准反射的 Invoke() 方法虽然简单，但它是最慢的一种，使用 Activator.CreateInstance() 和 Microsoft.Extensions.DependencyInjection() 的时间差不多，时间是直接 new 创建的16倍，使用表达式 Expression 表现最优秀，Natasha 真是黑科技，比用Emit 还快了一点，使用Emit 是直接 new 创建的时间的1.8倍。你应该发现了各种方式之间的差距，但是需要注意的是这里是 ns 纳秒，一纳秒是一秒的十亿分之一。

这里简单对比了几种创建对象的方法，测试的结果也可能不是特别准确，有兴趣的还可以在 .net framework 上面进行测试，希望对您有用！