了解 .NET/C# 程序集的加载时机，以便优化程序启动性能
林德熙在 C# 程序集数量对软件启动性能的影响 一文中说到程序集数量对程序启动性能的影响。在那篇文章中，我们得出结论，想同类数量的情况下，程序集的数量越多，程序启动越慢。
额外的，不同的代码编写方式对程序集的加载性能也有影响。本文将介绍 .NET 中程序集的加载时机，了解这个时机能够对启动期间程序集的加载性能带来帮助。
本文内容
- 程序集加载方式对性能的影响
- 程序集的加载时机
程序集加载方式对性能的影响
为了直观地说明程序集加载方式对性能的影响，我们先来看一段代码：
using System;
using System.Threading.Tasks;
namespace Walterlv.Demo
{
public static class Program
{
[STAThread]
private static int Main(string[] args)
{
var logger = new StartupLogger();
var startupManagerTask = Task.Run(() =>
{
var startup = new StartupManager(logger).ConfigAssemblies(
new Foo(),
new Bar(),
new Xxx(),
new Yyy(),
new Zzz(),
new Www());
startup.Run();
return startup;
});
var app = new App(startupManagerTask);
app.InitializeComponent();
app.Run();
return 0;
}
}
}
在这段代码中，Foo、Bar、Xxx、Yyy、Zzz、Www 分别在不同的程序集中，我们姑且认为程序集名称是 FooAssembly、BarAssembly、XxxAssembly、YyyAssembly、ZzzAssembly、WwwAssembly。
现在，我们统计 Main 函数开始第一句话到 Run 函数开始执行时的时间：
| 统计 | Milestone | Time |
| 第一次 | -------------------------------- | -------: |
| 第一次 | Main Method Start | 107 |
| 第一次 | Run | 344 |
| 第二次 | Main Method Start | 106 |
| 第二次 | Run | 276 |
| 第三次 | Main Method Start | 89 |
| 第三次 | Run | 224 |
在三次统计中，我们可以看到三次平均时长 180 ms。如果观察没一句执行时的 Module，可以看到 Main 函数开始时，这些程序集都未加载，而 Run 函数执行时，这些程序集都已加载。
事实上，如果你把断点放在 Task.Run 中 lambda 表达式的第一个括号处，你会发现那一句时这些程序集就已经加载了，不用等到后面代码的执行。
作为对比，我需要放上没有程序集加载时候的数据（具体来说，就是去掉所有 new 那些类的代码）：
| 统计 | Milestone | Time |
| 第一次 | -------------------------------- | -------: |
| 第一次 | Main Method Start | 43 |
| 第一次 | Run | 75 |
| 第二次 | Main Method Start | 27 |
| 第二次 | Run | 35 |
| 第三次 | Main Method Start | 28 |
| 第三次 | Run | 40 |
这可以证明，以上时间大部分来源于程序集的加载，而不是其他什么代码。
现在，我们稍稍修改一下程序集，让 new Foo() 改为使用 lambda 表达式来创建：
using System;
using System.Threading.Tasks;
namespace Walterlv.Demo
{
public static class Program
{
[STAThread]
private static int Main(string[] args)
{
var logger = new StartupLogger();
var startupManagerTask = Task.Run(() =>
{
var startup = new StartupManager(logger).ConfigAssemblies(
-- new Foo(),
-- new Bar(),
-- new Xxx(),
-- new Yyy(),
-- new Zzz(),
-- new Www());
++ () => new Foo(),
++ () => new Bar(),
++ () => new Xxx(),
++ () => new Yyy(),
++ () => new Zzz(),
++ () => new Www());
startup.Run();
return startup;
});
var app = new App(startupManagerTask);
app.InitializeComponent();
app.Run();
return 0;
}
}
}
这时，直到 Run 函数执行时，那些程序集都还没有加载。由于我在 Run 函数中真正使用到了那些对象，所以其实 Run 中是需要写代码来加载那些程序集的（也是自动）。
如果我们依次加载这些程序集，那么时间如下：
| Milestone | Time |
|---|---|
| Main Method Start | 38 |
| Run | 739 |
如果我们使用 Parallel 并行加载这些程序集，那么时间如下：
| Milestone | Time |
|---|---|
| Main Method Start | 31 |
| Run | 493 |
可以看到，程序集加载时间有明显增加。
实际上我们完成的任务是一样的，但是程序集加载时间显著增加，这显然不是我们期望的结果。
在上例中，第一个不到 200 ms 的加载时间，来源于我们直接写下了 new 不同程序集中的类型。后面长一些的时间，则因为我们的 Main 函数中没有直接构造类型，而是写成了 lambda 表达式。来源于在 Run 中调用那些 lambda 表达式从而间接加载了类型。
为了更直观，我把 Run 方法中的关键代码贴出来：
// assemblies 是直接 new 出来的参数传进来的。
_assembliesToBeManaged.AddRange(assemblies);
// assemblies 是写的 lambda 表达式参数传进来的。
_assembliesToBeManaged.AddRange(assemblies.Select(x => x()));
上面的版本，这些程序集的加载时间是 180 ms，而下面的版本，则达到惊人的 701 ms！
程序集的加载时机
于是我们可以了解到程序集的加载时机。
- 在一个方法被 JIT 加载的时候，里面用到的类型所在的程序集就会被加载到应用程序域中。当加载完后，此方法才被执行。
- 加载程序集时，只会加载方法中会直接使用到的类型，如果是 lambda 内的类型，则会在此 lambda 被调用的时候才会执行（其实这本质上和方法被调用之前的加载是一个时机）。
并且，我们能够得出性能优化建议：
- 如果可行，最好让 CLR 自动管理程序集的加载，而且一次性能加载所有程序集的话就一次性加载，而不要尝试自己去分开加载这些程序集，那会使得能够并行的加载程序集的时间变得串行，浪费启动性能。
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