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C#에서 enum을 boxing 없이 int로 변환하기 - 두 번째 이야기

이전 글에,

C#에서 enum을 boxing 없이 int로 변환하기
; https://www.sysnet.pe.kr/2/0/11270

다음과 같은 덧글이 달렸군요.

참고하신 블로그의 다음 글로 https://libsora.so/posts/csharp-dictionary-enum-key-without-gc/ 이 올라왔는데요. 해당 글을 참고한다면 우회 방법을 사용하신 static Dictionary에서도 결국 박싱이 발생하는 것 아닐까요?


링크한 "C# Dictionary + enum" 글을 보면 Dictionary.ContainsKey 메서드와 indexer에 enum 값을 전달하면 메서드 내부에서 호출되는 DefaultComparer.Equals와 DefaultComparer.GetHashCode의 메모리 할당 문제로 인해 결국 박싱이 일어난다는 것입니다. 왜냐하면, 제 코드에서도 어차피 Dictionary의 indexer를 이용한 접근을 하기 때문에,

class WrapperObject<TEnum, TValue>
{
    TValue[] data;

    static Dictionary<TEnum, int> _enumKey = new Dictionary<TEnum, int>();

    ...[생략]...

    public WrapperObject(int count)
    {
        data = new TValue[count];
    }

    public TValue this[TEnum key]
    {
        get { return data[_enumKey[key]]; }
        set { data[_enumKey[key]] = value; }
    }
}

박싱이 일어날 거라는 덧글입니다.




그런데, 질문이 다소 잘못되었습니다. DefaultComparer.Equals와 DefaultComparer.GetHashCode 내부에서 어떤 작업을 하는지는 알 수 없으나 그것이 boxing인지, 다른 이유로 인해 발생하는 것인지 알 수 없기 때문입니다. 즉, 덧글의 질문은 다음과 같이 바뀌어야 합니다.

참고하신 블로그의 다음 글로 https://libsora.so/posts/csharp-dictionary-enum-key-without-gc/ 이 올라왔는데요. 해당 글을 참고한다면 우회 방법을 사용하신 static Dictionary에서도 결국 GC가 발생하는 것 아닐까요?


그런데, 이건 유니티가 사용하는 Mono 플랫폼의 문제입니다. .NET 4.0 환경에서 테스트하면 인덱서 내부에서의 동작에 힙 할당이 전혀 발생하지 않습니다. 확인은 다음과 같이 할 수 있습니다.

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;

namespace ConsoleApp1
{
    class Program
    {
        interface IState
        {
            string GetMessage();
        }

        class State_Wait : IState
        {
            public string GetMessage()
            {
                return "wait";
            }
        }

        class State_Run : IState
        {
            public string GetMessage()
            {
                return "run";
            }
        }

        enum States
        {
            Wait,
            Run,
        }


        static void Main(string[] args)
        {
            Thread t = new Thread(reportGC);
            t.IsBackground = true;
            t.Start();

            WrapperObject<States, IState> states = new WrapperObject<States, IState>(2);
            states[States.Run] = new State_Wait();
            states[States.Wait] = new State_Run();

            while (true)
            {
                states[States.Run].GetMessage();
            }
        }

        private static void reportGC()
        {
            while (true)
            {
                int count = GC.CollectionCount(0) +
                    GC.CollectionCount(1) +
                    GC.CollectionCount(2);
                Console.WriteLine(count);

                Thread.Sleep(1000);
            }
        }

        class WrapperObject<TEnum, TValue> 
        {
            TValue[] data;

            static Dictionary<TEnum, int> _enumKey = new Dictionary<TEnum, int>();

            static WrapperObject()
            {
                int[] intValues = Enum.GetValues(typeof(TEnum)) as int[];
                TEnum[] enumValues = Enum.GetValues(typeof(TEnum)) as TEnum[];

                for (int i = 0; i < intValues.Length; i++)
                {
                    _enumKey.Add(enumValues[i], intValues[i]);
                }
            }

            public WrapperObject(int count)
            {
                data = new TValue[count];
            }

            public TValue this[TEnum key]
            {
                get { return data[_enumKey[key]]; }
                set { data[_enumKey[key]] = value; }
            }
        }
    }
}

실행해 보면, GC가 전혀 발생하지 않습니다. 재미있는 것은 .NET 3.5로 빌드하면 이번에는 GC가 발생하는 것을 볼 수 있습니다. 즉, 내부 코드가 어떻게 작성되어 있느냐에 따라 Dictionary 타입의 indexer 사용 시 힙 할당 여부가 결정됩니다.

어쨌든 중요한 것은, 저 코드로 작성하게 되면 Unity3D 환경의 경우 GC가 발생하게 됩니다.




그렇다면, WrapperObject 타입의 내부 컬렉션을 BCL의 Dictionary가 아닌, GC 힙을 할당하지 않는 사용자 정의 컬렉션으로 교체하면 어떨까요? 그런데, 이게 좀 재미있습니다. Dictionary와 같은 객체를 최소한의 구성으로 다음과 같이 만들어 보았는데요.

class WrapperObject<TEnum, TValue> where TEnum : struct
{
    TValue[] data;

    MyIntDict<TEnum> _enumKey = new MyIntDict<TEnum>();

    public WrapperObject(int count)
    {
        data = new TValue[count];
    }

    public TValue this[TEnum key]
    {
        get { return data[_enumKey[key]]; }
        set { data[_enumKey[key]] = value; }
    }
}

// 이 타입은 힙 메모리 사용을 없애기 위해 최소한의 사전형 구현체를 만든 것으로
// 너무 많은 가정을 포함하므로 현실적으로 사용할 수 없음.
class MyIntDict<TEnum> where TEnum : struct
{
    int[] _data;

    public MyIntDict()
    {
        int elemCount = Enum.GetValues(typeof(TEnum)).Length;
        _data = new int[elemCount];
    }

    // 혹시... key.GetHashCode 이외에 indexer로 전달된 값을 hash하는 방법이 있을까요?
    // 또는 꼭 사전 형식이 아니더라도 현실성 있게 heap 할당을 피할 수 있는 방법이 있을까요?
    public unsafe int this[TEnum key]
    {
        get
        {
            int idx = key.GetHashCode();
            return _data[idx];
        }

        set
        {
            int idx = key.GetHashCode();
            _data[idx] = value;
        }
    }
}

단순히 key.GetHashCode() 만으로도 내부적으로 힙을 사용해 GC가 발생하게 됩니다. 그렇다면, 도대체 .NET 4.0의 Dictionary 타입은 어떻게 구현했길래 힙 메모리 사용이 없는 걸까요? 우선 indexer를 시작으로,

[__DynamicallyInvokable]
public TValue this[TKey key]
{
    [__DynamicallyInvokable]
    get
    {
        int index = this.FindEntry(key);
        if (index >= 0)
        {
            return this.entries[index].value;
        }
        ThrowHelper.ThrowKeyNotFoundException();
        return default(TValue);
    }
    [__DynamicallyInvokable]
    set
    {
        this.Insert(key, value, false);
    }
}

private int FindEntry(TKey key)
{
    if (key == null)
    {
        ThrowHelper.ThrowArgumentNullException(ExceptionArgument.key);
    }
    if (this.buckets != null)
    {
        int num = this.comparer.GetHashCode(key) & 0x7fffffff;
        for (int i = this.buckets[num % this.buckets.Length]; i >= 0; i = this.entries[i].next)
        {
            if ((this.entries[i].hashCode == num) && this.comparer.Equals(this.entries[i].key, key))
            {
                return i;
            }
        }
    }
    return -1;
}

위의 코드에 사용된 this.comparer를 추적해 보면 특별히 enum 타입에 대해 RuntimeTypeHandle.CreateInstanceForAnotherGenericParameter(...); 메서드를 이용해 동적으로 생성하고 있습니다.

[SecuritySafeCritical]
private static EqualityComparer<T> CreateComparer()
{
    // ...[생략]...
    if (c.IsEnum)
    {
        switch (Type.GetTypeCode(Enum.GetUnderlyingType(c)))
        {
            case TypeCode.SByte:
                return (EqualityComparer<T>) RuntimeTypeHandle.CreateInstanceForAnotherGenericParameter((RuntimeType) typeof(SByteEnumEqualityComparer<sbyte>), c);

            case TypeCode.Byte:
            case TypeCode.UInt16:
            case TypeCode.Int32:
            case TypeCode.UInt32:
                return (EqualityComparer<T>) RuntimeTypeHandle.CreateInstanceForAnotherGenericParameter((RuntimeType) typeof(EnumEqualityComparer<int>), c);

            case TypeCode.Int16:
                return (EqualityComparer<T>) RuntimeTypeHandle.CreateInstanceForAnotherGenericParameter((RuntimeType) typeof(ShortEnumEqualityComparer<short>), c);

            case TypeCode.Int64:
            case TypeCode.UInt64:
                return (EqualityComparer<T>) RuntimeTypeHandle.CreateInstanceForAnotherGenericParameter((RuntimeType) typeof(LongEnumEqualityComparer<long>), c);
        }
    }
    // ...[생략]...
}

이것은 "GC없이 C# Dictionary에서 enum을 key로 쓰기" 글에서 언급한 "Generic EnumComparer"와 같이 내부적으로 dynamic method 생성을 하는 식으로 처리하는 것과 방식이 유사합니다. 즉, .NET 4.0의 경우 enum의 경우까지도 고려해 동적으로 생성한 메서드 덕분에 GC 힙 사용을 피해 간 것입니다. 그렇다면, 사용자 정의 Dictionary 타입 등으로 우회하고 싶어도 결국 동적 메서드 생성 이외에는 답이 없는 것처럼 보입니다.




그런데, 갑자기 C#의 특수한 예약어가 생각났습니다.

Fun With __makeref
; http://benbowen.blog/post/fun_with_makeref/

그렇습니다. 저 예약어를 이용하면 enum 타입을 boxing 없이 int로 변경할 수 있습니다. 이렇게!

class WrapperObject<TEnum, TValue>
{
    TValue[] data;

    public WrapperObject(int count)
    {
        data = new TValue[count];
    }

    public TValue this[TEnum key]
    {
        get { return data[ConvertToIndex(key)]; }
        set { data[ConvertToIndex(key)] = value; }
    }

    // 이 코드는 enum의 기반 타입을 int로 가정
    unsafe int ConvertToIndex(TEnum key)
    {
        System.TypedReference reference = __makeref(key);
        System.TypedReference* pRef = &reference;

        int* valuePtr = (int*)*((IntPtr*)&reference);
        return *valuePtr;
    }

/*
    int ConvertToIndex(TEnum key)
    {
        System.TypedReference reference = __makeref(key);
        return __refvalue(reference, int); // System.InvalidCastException: 'Specified cast is not valid.'
    }
*/
}

일단, Visual Studio와 Unity3d 개발 환경에서는 빌드 및 실행이 잘 됩니다. 단지, iOS 빌드를 위한 IL2CPP 환경에서 빌드/실행이 잘 되는지는 확인을 못했습니다. 그나저나, 설령 잘 된다고 해도, 저런 키워드를 써가면서까지 enum 타입을 (int)로 명시적인 형 변환을 필요 없게 만드는 것이 얼마나 큰 장점이 있을지는... 생각해 봐야 할 문제입니다. ^^

(첨부 파일은 이 글의 예제 코드를 포함합니다.)




[이 글에 대해서 여러분들과 의견을 공유하고 싶습니다. 틀리거나 미흡한 부분 또는 의문 사항이 있으시면 언제든 댓글 남겨주십시오.]

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[최초 등록일: ]
[최종 수정일: 6/27/2018 ]

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댓글 쓴 사람
 



2018-06-21 09시57분
[netpyoung] 신기한 키워드네요. 흑마법이라 일단 테스트를 해보는데 다른 결과가 나왔네요.
윈도우즈 netcoreapp2.0 환경에서는 잘 동작하나,
윈도우즈 Unity 2017.4.2f2 - .NET 4.6 - 5.0.1 (Visual Studio built mono) 에서는
__makeref(E_Hello.A) == __makeref(E_Hello.B) == __makeref(E_Hello.C)처럼,
enum에 대해 값이 동일한 값을 반환하도록 되어 있네요.
[손님]
2018-06-26 06시54분
[netpyoung] unsafe
        {
            TEnum a = TEnum.A;
            TEnum b = TEnum.B;
            TypedReference refA = __makeref(a);
            TypedReference refB = __makeref(b);


            int* valuePtrA = (int*) *((IntPtr*) &refA);
            int* valuePtrB = (int*) *((IntPtr*) &refB);
            int expectedA = *valuePtrA;
            int expectedB = *valuePtrB;
            Debug.Log(expectedA == expectedB);
        }
[손님]
2018-06-27 01시58분
보니까, mono 런타임이 문제입니다. 모노로 빌드한,

C:\temp>dmcs Program.cs /unsafe

Program.exe를 그냥 실행시키면(즉, 시스템에 설치된 .NET Framework 위에서는 expectedA, expectedB 값을 0과 1로 잘 가져옵니다.

반면 다음과 같이 mono 런타임에 얹어서 실행하면,

c:\temp>mono Program.exe

이제는 expectedA, expectedB 값이 모두 이상한 값(예를 들어, -402205784)으로 나옵니다. 값이 실행할 때마다 바뀌는 걸로 봐서 그 순간에 메모리 상에 있는 쓰레기 값이 나오는 것 같습니다.
정성태
2018-06-27 02시05분
@netpyoung 님, 다음의 글에 간단하게 정리해 봤습니다.

(Unity가 사용하는) 모노 런타임의 __makeref 오류
; http://www.sysnet.pe.kr/2/0/11564

아울러, 테스트 덧글 달아주신 것 감사드립니다. ^^
정성태
2018-06-28 09시46분
C# 7.3에서 enum을 boxing 없이 int 변환하기 - 세 번째 이야기
; http://www.sysnet.pe.kr/2/0/11565

정성태
2018-06-28 11시20분
[netpyoung]
Unity 2017.4.2f2 - .NET 4.6 - 5.0.1 (Visual Studio built mono)
유니티 프로파일러를 돌려보니, 기존 (쓰레기가 할당되는) DefaultComparer.Equals가 => EnumEqualityComparer로 바뀌어서(일단 에디터상으로는) GC가 할당되야 하는데 할당이 안되도록 패치되어 있네요.
안되면 ZeroFormatter같은 경우는 CreateDelegate를 이용하여 회피하는 방법을 선택했더군요..(https://github.com/neuecc/ZeroFormatter/blob/master/src/ZeroFormatter/Comparers/EnumEqualityComparer.cs)

별도로 또 테스트를 하셨다니ㅠ. 자주 챙겨보고 있습니다. 이 자리를 빌려 감사드립니다.
[손님]
2020-02-21 05시42분
[지존] 엄청나네요 ㅋㅋㅋㅋ
[손님]

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