为何C#中结构体复制速度不慢于原地修改数据？

我定义了一个表示三维点的C# ref struct：

public ref struct Point
{
    public double X, Y, Z;

    // 原地加法
    public void Add(Point other)
    {
        X += other.X;
        Y += other.Y;
        Z += other.Z;
    }
    
    // +运算符重载
    public static Point operator +(Point a, Point b)
    {
        return new Point { X = a.X + b.X, Y = a.Y + b.Y, Z = a.Z + b.Z };
    }
}

该结构体包含两种加法实现：Add方法原地修改实例，+运算符返回新实例。我原本认为原地修改的Add方法因无需创建新实例、仅一次参数复制，性能会优于或等于+运算符，但通过BenchmarkDotNet测试发现，Add方法的平均速度反而略慢。

测试方法 #

AddInPlace（原地加法） #

public Point AddInPlace()
{
    Point result = new Point();

    foreach ((double, double, double) coordinate in _coordinates)
    {
        Point point = new Point
        {
            X = coordinate.Item1, 
            Y = coordinate.Item2, 
            Z = coordinate.Item3
        };

        result.Add(point); // 原地修改
    }

    return result;
}

AddOperator（+运算符） #

public Point AddOperator()
{
    Point result = new Point();

    foreach ((double, double, double) coordinate in _coordinates)
    {
        Point point = new Point
        {
            X = coordinate.Item1, 
            Y = coordinate.Item2, 
            Z = coordinate.Item3
        };

        result = point + result; // 使用+运算符
    }

    return result;
}

测试结果（.NET 6.0） #

测试环境：

BenchmarkDotNet v0.13.12, Windows 11
Intel Xeon W-2235 CPU 3.80GHz, 1 CPU, 12 logical and 6 physical cores

原因分析 #

两者性能差异极小（处于误差边缘），但AddInPlace稍慢的核心原因在于内存操作模式的差异：

• Add方法的读-改-写（RMW）操作：Add方法执行X += other.X这类逻辑时，是三次独立的「读取字段值→计算→写回字段」流程。这类操作需要CPU先读取内存值、计算后再写回，流水线效率较低，还可能引发缓存写回开销。
• +运算符的直接赋值：+运算符被JIT完全内联后，会先计算三个维度的和，再一次性将结果赋值给result的三个字段。这种「先计算所有值→批量赋值」的模式避免了RMW操作的等待周期，内存访问更连续，CPU流水线可更好地并行处理加法与赋值。
• JIT优化的细微差异：对于ref struct，静态运算符的参数传递与返回值优化（RVO）能被JIT更彻底处理，编译器可直接在寄存器中完成加法计算，减少栈上临时复制；而实例方法的this指针传递与字段修改，会引入微小的额外栈操作开销。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Lorenzo Celli