在 C# 中进行浅复制的最快方法

Question

我想知道在 C# 中进行浅复制的最快方法是什么？ 我只知道有2种方法可以进行浅复制：

1. MemberwiseClone
2. 逐个复制每个字段（手动）

我发现（2）比（1）更快。 我想知道是否还有其他方法进行浅复制？

Answer 1

这是一个复杂的主题，有许多可能的解决方案，并且每种解决方案都有很多优点和缺点。 这里有一篇精彩的文章，概述了在C＃。 总结一下：

1. 手动克隆
   乏味，但控制水平高。

2. 使用 MemberwiseClone 进行克隆
   仅创建浅拷贝，即对于引用类型字段，原始对象及其克隆引用同一个对象。

3. 带反射的克隆
   默认为浅拷贝，可以重写做深拷贝。 优点：自动化。 缺点：反射速度慢。

4. 克隆与序列化
   简单、自动化。 放弃一些控制权，序列化是最慢的。

5. 使用 IL 克隆、使用扩展方法克隆
   更高级的解决方案，但并不常见。

Answer 2

我想先引用几句话：

事实上，MemberwiseClone 通常比其他方法要好得多，尤其是对于复杂类型。

和

我很困惑。 MemberwiseClone() 应该消除浅复制的任何其他性能。 [...]

理论上，浅拷贝的最佳实现是 C++ 拷贝构造函数：它知道编译时的大小，然后对所有字段进行成员克隆。 下一个最好的办法是使用memcpy或类似的东西，这基本上就是MemberwiseClone应该如何工作。 这意味着，理论上它应该消除性能方面的所有其他可能性。 对吗？

...但显然它的速度并不快，也不会消除所有其他解决方案。 实际上，我在底部发布了一个速度快 2 倍以上的解决方案。 所以：错误。

测试 MemberwiseClone 的内部

让我们从一个使用简单 blittable 类型的小测试开始，以检查这里关于性能的基本假设：

[StructLayout(LayoutKind.Sequential)]
public class ShallowCloneTest
{
    public int Foo;
    public long Bar;

    public ShallowCloneTest Clone()
    {
        return (ShallowCloneTest)base.MemberwiseClone();
    }
}

测试是这样设计的：这样我们就可以检查 MemberwiseClone 与原始 memcpy 的性能，这是可能的，因为这是一个 blittable 类型。

要自行测试，请使用不安全代码进行编译，禁用 JIT 抑制，编译发布模式并进行测试。 我还将时间安排放在每行相关的后面。

实现 1：

ShallowCloneTest t1 = new ShallowCloneTest() { Bar = 1, Foo = 2 };
Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
int total = 0;
for (int i = 0; i < 10000000; ++i)
{
    var cloned = t1.Clone();                                    // 0.40s
    total += cloned.Foo;
}

Console.WriteLine("Took {0:0.00}s", sw.Elapsed.TotalSeconds);

基本上我多次运行这些测试，检查程序集输出以确保该内容没有被优化掉，等等。最终结果是我知道这个测试大约需要多少秒一行代码的成本，在我的电脑上是 0.40 秒。 这是我们使用 MemberwiseClone 的基线。

实现 2：

sw = Stopwatch.StartNew();

total = 0;
uint bytes = (uint)Marshal.SizeOf(t1.GetType());
GCHandle handle1 = GCHandle.Alloc(t1, GCHandleType.Pinned);
IntPtr ptr1 = handle1.AddrOfPinnedObject();

for (int i = 0; i < 10000000; ++i)
{
    ShallowCloneTest t2 = new ShallowCloneTest();               // 0.03s
    GCHandle handle2 = GCHandle.Alloc(t2, GCHandleType.Pinned); // 0.75s (+ 'Free' call)
    IntPtr ptr2 = handle2.AddrOfPinnedObject();                 // 0.06s
    memcpy(ptr2, ptr1, new UIntPtr(bytes));                     // 0.17s
    handle2.Free();

    total += t2.Foo;
}

handle1.Free();
Console.WriteLine("Took {0:0.00}s", sw.Elapsed.TotalSeconds);

如果仔细观察这些数字，您会注意到以下几点：

• 创建对象并复制它大约需要 0.20 秒。 在正常情况下，这是您可以拥有的最快的代码。
• 但是，为此，您需要固定和取消固定对象。 这将花费您 0.81 秒。

那么为什么这一切都这么慢呢？

我的解释是它与GC有关。 基本上，实现不能依赖于内存在完整 GC 之前和之后保持不变的事实（内存的地址可以在 GC 期间更改，这可能随时发生，包括在浅复制期间）。 这意味着您只有 2 个可能的选择：

1. 固定数据并进行复制。 请注意，GCHandle.Alloc 只是实现此目的的方法之一，众所周知，C++/CLI 之类的东西会给您带来更好的性能。
2. 枚举字段。 这将确保在 GC 收集之间您不需要做任何花哨的事情，并且在 GC 收集期间您可以使用 GC 功能修改移动对象堆栈上的地址。

MemberwiseClone 将使用方法 1，这意味着您将因固定过程而受到性能影响。

（快得多）更快的实现

在所有情况下，我们的非托管代码都无法对类型的大小做出假设，并且必须固定数据。 对大小进行假设使编译器能够进行更好的优化，例如循环展开、寄存器分配等（就像 C++ 复制构造函数比 memcpy 更快一样）。 不必固定数据意味着我们不会受到额外的性能影响。 由于 .NET JIT 是针对汇编程序的，理论上这意味着我们应该能够使用简单的 IL 发出来更快地实现，并允许编译器对其进行优化。

那么总结一下为什么这比本机实现更快？

1. 它不需要固定对象； 移动的对象由 GC 处理——实际上，这是不断优化的。
2. 它可以对要复制的结构的大小进行假设，从而允许更好的寄存器分配、循环展开等。

我们的目标是原始 memcpy 的性能或更好：0.17s 。

为此，我们基本上只能使用调用、创建对象并执行一堆复制指令。 它看起来有点像上面的 Cloner 实现，但有一些重要的区别（最重要的是：没有 Dictionary 和没有多余的 CreateDelegate 调用）。 这里是：

public static class Cloner<T>
{
    private static Func<T, T> cloner = CreateCloner();

    private static Func<T, T> CreateCloner()
    {
        var cloneMethod = new DynamicMethod("CloneImplementation", typeof(T), new Type[] { typeof(T) }, true);
        var defaultCtor = typeof(T).GetConstructor(new Type[] { });

        var generator = cloneMethod .GetILGenerator();

        var loc1 = generator.DeclareLocal(typeof(T));

        generator.Emit(OpCodes.Newobj, defaultCtor);
        generator.Emit(OpCodes.Stloc, loc1);

        foreach (var field in typeof(T).GetFields(BindingFlags.Instance | BindingFlags.Public | BindingFlags.NonPublic))
        {
            generator.Emit(OpCodes.Ldloc, loc1);
            generator.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
            generator.Emit(OpCodes.Ldfld, field);
            generator.Emit(OpCodes.Stfld, field);
        }

        generator.Emit(OpCodes.Ldloc, loc1);
        generator.Emit(OpCodes.Ret);

        return ((Func<T, T>)cloneMethod.CreateDelegate(typeof(Func<T, T>)));
    }

    public static T Clone(T myObject)
    {
        return cloner(myObject);
    }
}

我测试了这段代码，结果是：0.16s。 这意味着它比 MemberwiseClone 快大约 2.5 倍。

更重要的是，这个速度与 memcpy 相当，这或多或少是“正常情况下的最佳解决方案”。

就我个人而言，我认为这是最快的解决方案 - 最好的部分是：如果 .NET 运行时会变得更快（对 SSE 指令等的适当支持），那么这个解决方案也会变得更快。

编者注：
上面的示例代码假设默认构造函数是公共的。 如果不是，则调用 GetConstructor 将返回 null。 在这种情况下，请使用其他 GetConstructor 签名之一来获取受保护或私有构造函数。
请参阅 https://learn.microsoft。 com/en-us/dotnet/api/system.type.getconstructor?view=netframework-4.8

Answer 3

我很困惑。 MemberwiseClone() 应该消灭浅复制的任何其他性能。 在 CLI 中，除 RCW 之外的任何类型都应该能够按以下顺序进行浅复制：

• 在托儿所中为该类型分配内存。
• memcpy 将数据从原来的转移到新的。 由于目标位于托儿所中，因此不需要写屏障。
• 如果对象具有用户定义的终结器，请将其添加到 GC 待终结项列表中。
  • 如果源对象调用了 SuppressFinalize 并且此类标志存储在对象标头中，请在克隆中取消设置它。

CLR 内部团队的有人可以解释为什么情况并非如此吗？

Answer 4

为什么要把事情复杂化呢？ MemberwiseClone 就足够了。

public class ClassA : ICloneable
{
   public object Clone()
   {
      return this.MemberwiseClone();
   }
}

// let's say you want to copy the value (not reference) of the member of that class.
public class Main()
{
    ClassA myClassB = new ClassA();
    ClassA myClassC = new ClassA();
    myClassB = (ClassA) myClassC.Clone();
}

Answer 5

这是一种使用动态 IL 生成来实现此目的的方法。 我在网上某个地方找到了它：

public static class Cloner
{
    static Dictionary<Type, Delegate> _cachedIL = new Dictionary<Type, Delegate>();

    public static T Clone<T>(T myObject)
    {
        Delegate myExec = null;

        if (!_cachedIL.TryGetValue(typeof(T), out myExec))
        {
            var dymMethod = new DynamicMethod("DoClone", typeof(T), new Type[] { typeof(T) }, true);
            var cInfo = myObject.GetType().GetConstructor(new Type[] { });

            var generator = dymMethod.GetILGenerator();

            var lbf = generator.DeclareLocal(typeof(T));

            generator.Emit(OpCodes.Newobj, cInfo);
            generator.Emit(OpCodes.Stloc_0);

            foreach (var field in myObject.GetType().GetFields(BindingFlags.Instance | BindingFlags.Public | BindingFlags.NonPublic))
            {
                // Load the new object on the eval stack... (currently 1 item on eval stack)
                generator.Emit(OpCodes.Ldloc_0);
                // Load initial object (parameter)          (currently 2 items on eval stack)
                generator.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
                // Replace value by field value             (still currently 2 items on eval stack)
                generator.Emit(OpCodes.Ldfld, field);
                // Store the value of the top on the eval stack into the object underneath that value on the value stack.
                //  (0 items on eval stack)
                generator.Emit(OpCodes.Stfld, field);
            }

            // Load new constructed obj on eval stack -> 1 item on stack
            generator.Emit(OpCodes.Ldloc_0);
            // Return constructed object.   --> 0 items on stack
            generator.Emit(OpCodes.Ret);

            myExec = dymMethod.CreateDelegate(typeof(Func<T, T>));

            _cachedIL.Add(typeof(T), myExec);
        }

        return ((Func<T, T>)myExec)(myObject);
    }
}

Answer 6

事实上，MemberwiseClone 通常比其他方法要好得多，尤其是对于复杂类型。

原因是：如果你手动创建一个副本，它必须调用该类型的构造函数之一，但是使用成员克隆，我猜它只是复制一块内存。 对于那些具有非常昂贵的构造操作的类型，成员克隆绝对是最好的方法。

曾经我写过这样的类型：
{string A = Guid.NewGuid().ToString()}，我发现成员克隆比创建新实例和手动分配成员要快得多。

下面的代码的结果：

Manual Copy:00:00:00.0017099

MemberwiseClone:00:00:00.0009911

namespace MoeCard.TestConsole
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Program p = new Program() { AAA = Guid.NewGuid().ToString(), BBB = 123 };
            Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                p.Copy1();
            }
            sw.Stop();
            Console.WriteLine("Manual Copy:" + sw.Elapsed);

            sw.Restart();
            for (int i = 0; i < 10000; i++)
            {
                p.Copy2();
            }
            sw.Stop();
            Console.WriteLine("MemberwiseClone:" + sw.Elapsed);
            Console.ReadLine();
        }

        public string AAA;

        public int BBB;

        public Class1 CCC = new Class1();

        public Program Copy1()
        {
            return new Program() { AAA = AAA, BBB = BBB, CCC = CCC };
        }
        public Program Copy2()
        {
            return this.MemberwiseClone() as Program;
        }

        public class Class1
        {
            public DateTime Date = DateTime.Now;
        }
    }

}

最后，我在这里提供我的代码：

    #region 数据克隆
    /// <summary>
    /// 依据不同类型所存储的克隆句柄集合
    /// </summary>
    private static readonly Dictionary<Type, Func<object, object>> CloneHandlers = new Dictionary<Type, Func<object, object>>();

    /// <summary>
    /// 根据指定的实例,克隆一份新的实例
    /// </summary>
    /// <param name="source">待克隆的实例</param>
    /// <returns>被克隆的新的实例</returns>
    public static object CloneInstance(object source)
    {
        if (source == null)
        {
            return null;
        }
        Func<object, object> handler = TryGetOrAdd(CloneHandlers, source.GetType(), CreateCloneHandler);
        return handler(source);
    }

    /// <summary>
    /// 根据指定的类型,创建对应的克隆句柄
    /// </summary>
    /// <param name="type">数据类型</param>
    /// <returns>数据克隆句柄</returns>
    private static Func<object, object> CreateCloneHandler(Type type)
    {
        return Delegate.CreateDelegate(typeof(Func<object, object>), new Func<object, object>(CloneAs<object>).Method.GetGenericMethodDefinition().MakeGenericMethod(type)) as Func<object, object>;
    }

    /// <summary>
    /// 克隆一个类
    /// </summary>
    /// <typeparam name="TValue"></typeparam>
    /// <param name="value"></param>
    /// <returns></returns>
    private static object CloneAs<TValue>(object value)
    {
        return Copier<TValue>.Clone((TValue)value);
    }
    /// <summary>
    /// 生成一份指定数据的克隆体
    /// </summary>
    /// <typeparam name="TValue">数据的类型</typeparam>
    /// <param name="value">需要克隆的值</param>
    /// <returns>克隆后的数据</returns>
    public static TValue Clone<TValue>(TValue value)
    {
        if (value == null)
        {
            return value;
        }
        return Copier<TValue>.Clone(value);
    }

    /// <summary>
    /// 辅助类,完成数据克隆
    /// </summary>
    /// <typeparam name="TValue">数据类型</typeparam>
    private static class Copier<TValue>
    {
        /// <summary>
        /// 用于克隆的句柄
        /// </summary>
        internal static readonly Func<TValue, TValue> Clone;

        /// <summary>
        /// 初始化
        /// </summary>
        static Copier()
        {
            MethodFactory<Func<TValue, TValue>> method = MethodFactory.Create<Func<TValue, TValue>>();
            Type type = typeof(TValue);
            if (type == typeof(object))
            {
                method.LoadArg(0).Return();
                return;
            }
            switch (Type.GetTypeCode(type))
            {
                case TypeCode.Object:
                    if (type.IsClass)
                    {
                        method.LoadArg(0).Call(Reflector.GetMethod(typeof(object), "MemberwiseClone")).Cast(typeof(object), typeof(TValue)).Return();
                    }
                    else
                    {
                        method.LoadArg(0).Return();
                    }
                    break;
                default:
                    method.LoadArg(0).Return();
                    break;
            }
            Clone = method.Delegation;
        }

    }
    #endregion

Answer 7

这是一个小型帮助程序类，它使用反射来访问 MemberwiseClone，然后缓存委托以避免不必要地使用反射。

public static class CloneUtil<T>
{
    private static readonly Func<T, object> clone;

    static CloneUtil()
    {
        var cloneMethod = typeof(T).GetMethod("MemberwiseClone", System.Reflection.BindingFlags.Instance | System.Reflection.BindingFlags.NonPublic);
        clone = (Func<T, object>)cloneMethod.CreateDelegate(typeof(Func<T, object>));
    }

    public static T ShallowClone(T obj) => (T)clone(obj);
}

public static class CloneUtil
{
    public static T ShallowClone<T>(this T obj) => CloneUtil<T>.ShallowClone(obj);
}

你可以这样称呼它：

Person b = a.ShallowClone();

Answer 8

MemberwiseClone 需要较少的维护。 我不知道默认属性值是否有帮助，也许可以忽略具有默认值的项目。