เขียน C#/.NET ให้​เร็ว: struct, zero allocation, Span

ความคืบหน้า0 / 8 บทเรียน

ก่อน​เริ่ม — สิ่ง​ที่​ควร​มี​มา​ก่อน

• C# ระดับ​ใช้งาน​จริง อ่าน code ที่​มี generic, interface และ async ออก​โดย​ไม่​ต้อง​หยุด​คิด ถ้า​ยัง​ไม่​ถึง​จุด​นั้น คอร์ส เขียน C# สมัย​ใหม่​ด้วย domain Order คือ on-ramp ที่​ตรง​ที่สุด
• คุ้น domain Order ระดับ​อ่าน code ออก จะ​ผ่าน bounded-contexts-integration หรือ efcore-persistence มา​ก็ได้ อย่าง​ใด​อย่าง​หนึ่ง​ก็​พอ และ​ไม่​บังคับ เพราะ​ทุก​บท​พิมพ์​ข้อมูล​ตั้งต้น​ให้​ครบ​ก่อน​แสดง​ตัวเลข​เสมอ
• feature C# 11–14 ไม่​ต้อง​รู้​มา​ก่อน แต่​คอร์ส​นี้​จะ ใช้ มัน​โดย​ไม่​หยุด​อธิบาย ถ้า​เจอ​ไวยากรณ์​ที่​ไม่​คุ้น ให้​เปิด C# 8 → 14: อะไร​เปลี่ยน​ไป​บ้าง ควบคู่​ไป — บทความ จัด​ชั้น feature คอร์ส​นี้ สอน​ใช้
• .NET SDK 10 บน​เครื่อง​ของ​คุณ ถ้า​อยาก​รัน​ตาม ทุก​บท​รัน​ได้​จริง ไม่มี​บท​ไหน​ที่​อ่าน​อย่าง​เดียว

เส้น​ขอบเขต​ของ​คอร์ส — byte คือ​หลักฐาน นาโน​วินาที​ไม่ใช่

คอร์ส​นี้​วัด “จำนวน byte ที่​จัดสรร” อย่าง​เดียว และ​จะ​เขียน​แบบนั้นตรงๆ ทั้ง​แปดบท

1. ข้อ​สรุป​ว่า “เทคนิค​นี้​ดี​กว่า” ตัดสิน​ด้วย column Allocated เท่านั้น ไม่ใช่ column Mean
2. ตัวเลข​เวลา​ทุก​ตัว​ต้อง​พ่วง​เครื่อง​ที่​วัด​และ​ค่า​การกระจาย (StdDev หรือ Error) พ่วง​ไม่​ได้ = ตัด​ทิ้ง
3. byte ที่​ประหยัด​ได้ ไม่​เท่ากับ เวลา​ที่​ประหยัด​ได้ คอร์ส​นี้​ไม่มี​หลักฐาน​เรื่อง​นั้น​และ​จะ​ไม่​อ้าง
4. “รัน​สอง​รอบ​ได้​เท่า​กัน” ยัง​ไม่​พอ ต้อง​อุ่น​จนถึง tier-1 จริง​ก่อน​จึง​จะ​อ่าน​ตัวเลข​ได้

สิ่ง​ที่​คอร์ส​นี้ ไม่​รับปาก: GC pause, throughput, working set, tail latency หรือ latency ของ app จริง และ allocation ไม่​เท่ากับ residency — byte ที่​จัดสรร​กับ byte ที่​ยัง​ค้าง​อยู่​ใน​หน่วย​ความ​จำเป็น​คนละ​เรื่อง​กัน

เครื่อง​ที่​วัด​ตัวเลข​ทั้งหมด

ทุก​ตัวเลข​ใน​คอร์ส​นี้​มา​จาก​เครื่อง​เดียวกัน​เครื่อง​นี้ ไม่มี​เลข​ที่​แต่ง​ขึ้น​และ​ไม่มี​เลข​ที่​ยก​มา​จาก​ที่​อื่น

Intel Core i7-7700 3.60GHz (Kaby Lake) · 8 logical / 4 physical
Ubuntu 24.04.4 LTS (WSL2) · linux-x64
.NET SDK 10.0.302 / runtime Microsoft.NETCore.App 10.0.10 · RyuJIT AVX2 (x86-64-v3)
workstation non-concurrent GC (ServerGC=false, ConcurrentGC=false)
BenchmarkDotNet 0.15.2 / 0.15.4 / 0.15.8

ตัวเลข​โครงสร้าง​ทุก​ตัว​ผูก​กับ x64 (IntPtr = 8): object header 16 byte · reference 8 byte · array header 24 byte · string header 22 byte บน​สถาปัตยกรรม​อื่น​ตัวเลข​ชุด​นี้​เปลี่ยน

เส้น​ทางการ​เรียน

1. ●01วัดให้เป็นก่อน: ทำไม column Allocated เชื่อได้ และ column Mean เชื่อไม่ได้เริ่มตรงนี้
   • allocationการขอพื้นที่ก้อนใหม่บน managed heap หนึ่งครั้ง นับสะสมต่อ thread โดย runtime และเป็นตัวเลขเดียวในคอร์สนี้ที่วัดซ้ำได้ถึงระดับ byte
   • tiered compilationกลไกที่ JIT compile method แบบเร็ว-หยาบก่อน (tier-0) แล้วค่อย compile ใหม่แบบเต็ม (tier-1) เมื่อถูกเรียกบ่อยพอและตัวจับเวลาเดินครบ ทำให้ code ชุดเดียวกันรายงาน allocation คนละค่าได้
2. ○02struct กับ class: เจ้าของตัดสิน ไม่ใช่ keyword
   • defensive copyสำเนาทั้งก้อนที่ compiler แอบสร้างเมื่อเรียกสมาชิกที่ไม่ใช่ `readonly` ผ่าน `in` หรือ readonly field ทำให้การแก้ค่าตกลงไปในสำเนาแล้วหายไป
   • readonly structstruct ที่ประกาศว่าทุกสมาชิกไม่แก้สถานะ ทำให้ compiler เลิกสร้าง defensive copy ทั้งหมด
3. ○03boxing: ตำนานที่ตายแล้ว และตัวจริงที่ยังซ่อนอยู่
   • boxingการห่อค่าของ value type ไว้ใน object บน heap (หัว 16 byte + payload ปัดขึ้นทีละ 8) ซึ่งเป็นคุณสมบัติของ code ที่ JIT ปล่อยออกมา ไม่ใช่ของซอร์ส
   • generic constraintการผูก parameter ชนิดด้วย `where T : …` เพื่อให้ JIT สร้าง code เฉพาะชนิดนั้น แทนที่จะรับเป็น interface แล้ว box ทุกตัวที่ส่งเข้าไป
4. ○04Span<T>: 0 byte ระหว่างทาง และราคาที่ต้องจ่าย
   • Spanมุมมองแบบต่อเนื่องที่ชี้กลับเข้าไปใน buffer เดิมโดยไม่คัดลอกข้อมูล เป็น ref struct จึงมีชีวิตข้ามเส้นแบ่งบางเส้นไม่ได้
   • stackallocการจองพื้นที่ต่อเนื่องบน stack ของ method ซึ่งคืนให้เมื่อ *method จบ* ไม่ใช่เมื่อจบรอบ loop
5. ○05ArrayPool: การยืมที่มีสัญญาแนบมา
   • ArrayPoolคลัง array ที่ให้ยืมและคืน เพื่อลบการจองออกจาก loop โดยแลกกับสัญญาที่ผู้ยืมต้องรักษาเอง
   • bucketช่องขนาดกำลังสองของ pool ที่คำขอถูกปัดขึ้นไปหา ทำให้ `Length` ของ array ที่ได้ใหญ่กว่าที่ขอเสมอ
6. ○06งาน string: กำจัด string กลางทาง (และเทคนิคที่ตำราบอกว่าช่วยแต่ไม่ช่วย)
   • GetAlternateLookupทางค้น dictionary ด้วย `ReadOnlySpan<char>` โดยไม่ต้องสร้าง string key ขึ้นมาก่อน ใช้ได้เมื่อ comparer รองรับ
   • SearchValuesชุดค่าที่เตรียมโครงสร้างค้นหาไว้ล่วงหน้าครั้งเดียว กำไรอยู่ที่ throughput ของเซ็ตใหญ่ ไม่ใช่ที่ allocation
7. ○07ValueTask: ไม่ใช่ "Task รุ่นประหยัด"
   • ValueTaskชนิดคืนค่า async ที่เป็น struct ซึ่งลบการจองได้เฉพาะเส้นทางที่เสร็จแบบ synchronous และมีกฎการใช้ที่ละเมิดแล้วไม่ระเบิด
   • PoolingAsyncValueTaskMethodBuilderตัวสร้าง state machine แบบใช้ซ้ำจากคลัง ซึ่งเป็นสิ่งที่ลบ allocation บนเส้นทางที่ suspend จริง ไม่ใช่ตัว `ValueTask` เอง
8. ○08capstone: hot path จริง 12,272 byte → 0 byte
   • hot pathเส้นทาง code ที่ถูกเดินซ้ำจนต้นทุนต่อรอบกลายเป็นต้นทุนของระบบ และเป็นที่เดียวที่การไล่ byte คุ้มค่า
   • zero allocationสภาวะที่เส้นทางหนึ่งวัดได้ 0 byte ต่อรอบใน steady state โดยไม่นับต้นทุนครั้งแรก