C#中含引用类型的结构体入栈为何比含值类型的结构体慢？

我原本以为在C#中，当T为结构体时，Stack<T>.Push()的性能大致相同，T为引用类型时可能稍慢。但通过基准测试发现，包含引用类型的结构体入栈性能比包含值类型的结构体略差，尽管两者内存大小相同（64位）。

测试环境 #

本次基准测试基于.NET 6和BenchmarkDotNet进行。

测试用结构体（x64下内存大小均为64位） #

public readonly record struct RecStruct(long A);

public readonly record struct PtrStruct(UIntPtr A);

public readonly record struct StructRef(object Ref);

基准测试代码 #

public class StructPerformance
{
    private const int repeats = 1_000_000;

    [Benchmark]
    public Stack<RecStruct> PushStructWithCap()
    {
        var stack = new Stack<RecStruct>(repeats);
        var strct = new RecStruct(0);
        for (int i = 0; i < repeats; i++)
        {
            stack.Push(strct);
        }
        return stack;
    }

    [Benchmark]
    public Stack<PtrStruct> PushPtrStructWithCap()
    {
        var stack = new Stack<PtrStruct>(repeats);
        var ptr = new UIntPtr(0);
        var strct = new PtrStruct(ptr);
        for (int i = 0; i < repeats; i++)
        {
            stack.Push(strct);
        }
        return stack;
    }

    [Benchmark]
    public Stack<StructRef> PushStructRefWithCap()
    {
        var stack = new Stack<StructRef>(repeats);
        var obj = new object();
        var strct = new StructRef(obj);
        for (int i = 0; i < repeats; i++)
        {
            stack.Push(strct);
        }
        return stack;
    }

    [Benchmark]
    public Stack<object> PushObjectWithCap()
    {
        var stack = new Stack<object>(repeats);
        var obj = new object();
        for (int i = 0; i < repeats; i++)
        {
            stack.Push(obj);
        }
        return stack;
    }
}

基准测试结果 #

可以看到，包含对象引用的结构体入栈性能与直接入栈对象相近，均不如非托管结构体。

核心原因是包含引用类型的结构体需要额外的写屏障（Write Barrier）操作，而非托管/纯值类型结构体不需要：

• 当将包含引用的结构体写入Stack<T>的内部数组时，CLR必须执行写屏障来确保该引用被GC正确追踪，防止对象移动时丢失引用，这个操作会带来额外CPU开销。
• 纯值类型结构体（如RecStruct、PtrStruct）的写入不涉及引用，CLR无需执行写屏障，直接完成内存拷贝即可，速度更快。
• 直接入栈引用类型（object）时同样需要写屏障，因此性能和包含引用的结构体接近——两者本质都是在数组中存储引用，都会触发写屏障。

此外，JIT编译器对纯值类型结构体可生成更紧凑的内存拷贝代码，而包含引用的结构体因要处理写屏障，代码路径更长，无法完全优化掉额外的检查操作，进一步拉开了性能差距。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Alexander Flesher