2012年7月16日月曜日

c#でインスタンスをFreeze

クラスをジェネレートする際にメタデータでFreezableかどうか保持して作るのが楽ちんなのかなー。

Castle.DynamicProxyとPostSharpで実装してみました。

DynamicProxy | Castle Project

どうやってインストールするんですか!と、思ったけど、NuGetですね。Castle.Core で。

The Creators of PostSharp – SharpCrafters

こっちもNuGetで。ただ、無料のBASICライセンスを別途取得する必要がありました。むかーし、登録したアカウントが邪魔してちょっと手間取った...。

Castle.DynamicProxy

まずはCastle。ベケットは出てこないよ。

Dynamic Proxy Tutorial « Krzysztof Koźmic on software

ここに書いてるとおりです!

ようするに動的に派生クラスを生成するFactoryを使ってインスタンスを作るのと、virtualなプロパティ/メソッドに対してインターセプトできるようになる、っていうのがCastle.DynamicProxyです。overrideね。

    public interface IFreezable
    {
        bool IsFrozen { get; }
        void Freeze();
    }

Freezeできるようにするためのインターフェース。CastleでもPostSharpでも同じのを使うよ。

    public class Animal
    {
        public virtual string Name { get; set; }
        public virtual int Age { get; set; }

        public override string ToString()
        {
            return string.Format("Name: {0}, Age: {1}", Name, Age);
        }
    }

こんなモデルクラスを用意します。もちろんvirtualで。だけど、これ自体がIFreezableを実装する必要はないので注意。

ここからは、ちょっと長めのコードになるけど、簡単に説明するとIFreezableを実装したInterceptorを実装し、それを注入したProxyインスタンスを生成。Proxyインスタンスではvirtualなものにアクセスした場合、Interceptorが実行されるのでその時都度Freezeされたかチェックする、っていう流れです。

proxy_pipeline

こんなイメージ。公式サイトより

    class FreezableInterceptor : IInterceptor, IFreezable
    {
        private bool _isFrozen;

        public void Freeze()
        {
            _isFrozen = true;
        }

        public bool IsFrozen
        {
            get { return _isFrozen; }
        }

        public void Intercept(IInvocation invocation)
        {
            if (_isFrozen && invocation.Method.Name.StartsWith("set_", StringComparison.OrdinalIgnoreCase))
            {
                throw new FreezableException("object frozen!");
            }

            invocation.Proceed();
        }
    }

Interceptorが↑これ。続いてヘルパーのコード。

    static class Freezable
    {
        private static readonly ProxyGenerator _generator = new ProxyGenerator();

        public static bool IsFreezable(object obj)
        {
            return AsFreezable(obj) != null;
        }

        private static IFreezable AsFreezable(object target)
        {
            if (target == null)
                return null;
            var accessor = target as IProxyTargetAccessor;
            if (accessor == null)
                return null;
            return accessor.GetInterceptors().OfType<FreezableInterceptor>().FirstOrDefault();
        }

        public static bool IsFrozen(object obj)
        {
            var freezable = AsFreezable(obj);
            return freezable != null && freezable.IsFrozen;
        }

        public static void Freeze(object freezable)
        {
            var interceptor = AsFreezable(freezable);
            if (interceptor == null)
                throw new FreezableException("Not freezalbe!");
            interceptor.Freeze();
        }

        public static TFreezable CreateInstance<TFreezable>() where TFreezable : class, new()
        {
            var freezableInterceptor = new FreezableInterceptor();
            var proxy = _generator.CreateClassProxy<TFreezable>(freezableInterceptor);
            return proxy;
        }
    }

こっちがちょっと長い。ProxyインスタンスはIProxyTargetAccessorを実装してるので、それを利用して、Interceptorを取得してFreezeしたりIsFrozeしたりです。

    [TestClass]
    public class UnitTest1
    {
        [TestMethod]
        public void Freezeさせる()
        {
            var rex = Freezable.CreateInstance<Animal>();
            rex.Name = "Rex";
            Console.WriteLine(Freezable.IsFreezable(rex)
                                  ? "Rex is freezable!"
                                  : "Rex is not freezable. Something is not working");
            Console.WriteLine(rex.ToString());
            Console.WriteLine("Add 50 years");
            rex.Age += 50;
            Console.WriteLine("Age: {0}", rex.Age);

            Freezable.Freeze(rex);
            Console.WriteLine("Frozen? : " + Freezable.IsFrozen(rex));
            try
            {
                rex.Age++;
                Console.WriteLine("あれー?変更できるー。");
            }
            catch
            {
                Console.WriteLine("Frozen!!");
            }
        }

        [TestInitialize]
        public void Initialize()
        {
            var instance1 = new Animal();
            var instance2 = Freezable.CreateInstance<Animal>();            
        }

        [TestMethod]
        public void 普通のインスタンス作る()
        {
            var sw = new Stopwatch();
            sw.Start();
            for (var i = 0; i < 10000;i++ )
            {
                var instance = new Animal();
            }
            sw.Stop();

            Console.WriteLine("create 10000 instances at {0} ms",sw.ElapsedMilliseconds);
        }

        [TestMethod]
        public void Proxyのインスタンス作る()
        {
            var sw = new Stopwatch();
            sw.Start();
            for (var i = 0; i < 10000; i++)
            {
                var instance = Freezable.CreateInstance<Animal>();
                //Freezable.Freeze(instance);
            }
            sw.Stop();

            Console.WriteLine("create 10000 instances at {0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);
        }

        [TestMethod]
        public void Proxyのインスタンス作ってFreezeする()
        {
            var sw = new Stopwatch();
            sw.Start();
            for (var i = 0; i < 10000; i++)
            {
                var instance = Freezable.CreateInstance<Animal>();
                Freezable.Freeze(instance);
            }
            sw.Stop();

            Console.WriteLine("create 10000 instances at {0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);
        }

        [TestMethod]
        public void 普通のインスタンスでプロパティアクセス()
        {
            var sw = new Stopwatch();
            sw.Start();
            for (var i = 0; i < 10000; i++)
            {
                var instance = new Animal();
                instance.Age = 200;
                instance.Name = "Foo";
            }
            sw.Stop();

            Console.WriteLine("create 10000 instances at {0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);
        }

        [TestMethod]
        public void Proxyのインスタンスでプロパティアクセス()
        {
            var sw = new Stopwatch();
            sw.Start();
            for (var i = 0; i < 10000; i++)
            {
                var instance = Freezable.CreateInstance<Animal>();
                instance.Age = 200;
                instance.Name = "Foo";
                //Freezable.Freeze(instance);                
            }
            sw.Stop();

            Console.WriteLine("create 10000 instances at {0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);
        }
    }

動かしましょう。

  • Freezeさせる[0:00.218] Success
  • Proxyのインスタンスでプロパティアクセス[0:00.106] Success
  • Proxyのインスタンス作ってFreezeする[0:00.117] Success
  • Proxyのインスタンス作る[0:00.109] Success
  • 普通のインスタンスでプロパティアクセス[0:00.003] Success
  • 普通のインスタンス作る[0:00.002] Success

こんな感じです。Proxy経由は若干遅くなりますね。TestInitializeでわざわざインスタンス作ってるのは、Proxyの生成をここでやらせるためです。こうしとけば、各テストの計測では実行分のみの時間になるから。

DynamicProxyで、うーんと思ったのはvirtualの強制。まぁねー。クラス生成するんだし、そーだよなー、とは思いつつも。

PostSharp

続いてPostSharp。こっちはアセンブリを書き換えてインターセプト。クラス生成よりも強力。ちょっと使い方が分かりにくいところもあるけど、大体なんでもできちゃう系。

今回はInstanceLevelAspectでモデルクラスにインターフェース(IFreezable)を実装し、LocationInterceptionAspectでプロパティアクセスをインターセプト。OnSetValueでIsFrozenを確認してるよ。

    [Serializable]
    [IntroduceInterface(typeof(IFreezable))]
    class FreezableAttribute : InstanceLevelAspect, IFreezable
    {
        [NonSerialized]
        private bool _isFrozen;
        public bool IsFrozen
        {
            get { return _isFrozen; }
        }

        public void Freeze()
        {
            _isFrozen = true;
        }
    }

まずは、既存クラスにインターフェースを後付Mixin

    [Serializable]
    class FrozenAttribute : LocationInterceptionAspect
    {
        public override void OnSetValue(LocationInterceptionArgs args)
        {
            var freezable = args.Instance as IFreezable;
            if (freezable != null && freezable.IsFrozen)
            {
                throw new FreezableException(string.Format("frozen {0}", args.LocationFullName));
            }

            args.ProceedSetValue();
        }
    }

インターフェース実装されてるなら、Freezableだからプロパティアクセスにインターセプト。

これだけ。これだけだけど、これらを1個のAspectにしようとしてスゴイ遠回りした。結果、インターフェースのMixinとインターセプトは同一Aspectにできない、みたい。できる方法があるなら教えて!

    [Freezable, Frozen]
    public class Person
    {
        public string Name { get; set; }
        public int Age { get; set; }

        public override string ToString()
        {
            return string.Format("Name: {0}, Age: {1}", Name, Age);
        }
    }

モデルね。属性に2つ書かないといけないのが残念ポイントだけど、virtualでもないし、これならCollection/List/DictionaryいろいろReadOnlyにしてしまえます。ね。

    [TestClass]
    public class UnitTest2
    {
        [TestMethod]
        public void Freezeさせる()
        {
            var rex = new Person();
            rex.Name = "Rex";
            Console.WriteLine(rex.ToString());
            Console.WriteLine("Add 50 years");
            rex.Age += 50;
            Console.WriteLine("Age: {0}", rex.Age);

            rex.Freeze();
            Console.WriteLine("Frozen? : " + rex.IsFrozen());

            try
            {
                rex.Age++;
                Console.WriteLine("あれー?変更できるー。");
            }
            catch
            {
                Console.WriteLine("Frozen!!");
            }
        }

        [TestMethod]
        public void Newする()
        {
            var sw = new Stopwatch();
            sw.Start();
            for (var i = 0; i < 10000; i++)
            {
                var instance = new Person();
                instance.Freeze();
            }
            sw.Stop();

            Console.WriteLine("create 10000 instances at {0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);
        }

        [TestMethod]
        public void NewしてFreezeする()
        {
            var sw = new Stopwatch();
            sw.Start();
            for (var i = 0; i < 10000; i++)
            {
                var instance = new Person();
                instance.Freeze();
            }
            sw.Stop();

            Console.WriteLine("create 10000 instances at {0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);
        }

        [TestMethod]
        public void Newしてプロパティアクセス()
        {
            var sw = new Stopwatch();
            sw.Start();
            for (var i = 0; i < 10000; i++)
            {
                var instance = new Person();
                instance.Age = 200;
                instance.Name = "Foo";
            }
            sw.Stop();

            Console.WriteLine("create 10000 instances at {0} ms", sw.ElapsedMilliseconds);
        }
    }

こんなテストで実行。

  • Freezeさせる[0:00.084] Success
  • NewしてFreezeする[0:00.015] Success
  • Newしてプロパティアクセス[0:00.012] Success
  • Newする[0:00.004] Success

素のクラスに比べればそれでも遅くはなるけど、DynamicProxyよりは高速。そりゃそーだ。アセンブリ書き換えてんだから。

1個の属性でできるとうれしいなー。

いずれにせよ、モデルクラス1個ずつFreezableをプロパティごとに実装なんてコード生成以外にありえないと思うじゃない。でも、インターセプトするなら、それも何とか乗り越えられる。その際にProxyクラスにするか、アセンブリ書き換えるかは好みでいいとは思うけど、既存コードほとんどいじらず(Factoryでインスタンス作らなくていい)に済むし早いしでPostSharpが使いやすいかなーと思う海の日。