.NET性能优化

前言

这一次要和大家分享的一个Tips是在字符串拼接场景使用的,我们经常会遇到有很多短小的字符串需要拼接的场景,在这种场景下及其的不推荐使用String.Concat也就是使用+=运算符。
目前来说官方最推荐的方案就是使用StringBuilder来构建这些字符串,那么有什么更快内存占用更低的方式吗?那就是今天要和大家介绍的ValueStringBuilder

ValueStringBuilder

ValueStringBuilder不是一个公开的API,但是它被大量用于.NET的基础类库中,由于它是值类型的,所以它本身不会在堆上分配,不会有GC的压力。
微软提供的ValueStringBuilder有两种使用方式,一种是自己已经有了一块内存空间可供字符串构建使用。这意味着你可以使用栈空间,也可以使用堆空间甚至非托管堆的空间,这对于GC来说是非常友好的,在高并发情况下能大大降低GC压力。

// 构造函数:传入一个Span的Buffer数组 public ValueStringBuilder(Span<char> initialBuffer);  // 使用方式: // 栈空间 var vsb = new ValueStringBuilder(stackalloc char[512]); // 普通数租 var vsb = new ValueStringBuilder(new char[512]); // 使用非托管堆 var length = 512; var ptr = NativeMemory.Alloc((nuint)(512 * Unsafe.SizeOf<char>())); var span = new Span<char>(ptr, length); var vsb = new ValueStringBuilder(span); ..... NativeMemory.Free(ptr); // 非托管堆用完一定要Free 

另外一种方式是指定一个容量,它会从默认的ArrayPoolchar对象池中获取缓冲空间,因为使用的是对象池,所以对于GC来说也是比较友好的,千万需要注意,池中的对象一定要记得归还

// 传入预计的容量 public ValueStringBuilder(int initialCapacity)   {       // 从对象池中获取缓冲区     _arrayToReturnToPool = ArrayPool<char>.Shared.Rent(initialCapacity);       ...... } 

那么我们就来比较一下使用+=StringBuilderValueStringBuilder这几种方式的性能吧。

// 一个简单的类 public class SomeClass   {       public int Value1; public int Value2; public float Value3;       public double Value4; public string? Value5; public decimal Value6;       public DateTime Value7; public TimeOnly Value8; public DateOnly Value9;       public int[]? Value10;   } // Benchmark类 [MemoryDiagnoser]   [HtmlExporter]   [Orderer(SummaryOrderPolicy.FastestToSlowest)]   public class StringBuilderBenchmark   {       private static readonly SomeClass Data;       static StringBuilderBenchmark()       {           var baseTime = DateTime.Now;           Data = new SomeClass           {               Value1 = 100, Value2 = 200, Value3 = 333,               Value4 = 400, Value5 = string.Join('-', Enumerable.Range(0, 10000).Select(i => i.ToString())),               Value6 = 655, Value7 = baseTime.AddHours(12),               Value8 = TimeOnly.MinValue, Value9 = DateOnly.MaxValue,               Value10 = Enumerable.Range(0, 5).ToArray()           };       }      // 使用我们熟悉的StringBuilder     [Benchmark(Baseline = true)]       public string StringBuilder()       {           var data = Data;           var sb = new StringBuilder();           sb.Append("Value1:"); sb.Append(data.Value1);           if (data.Value2 > 10)           {               sb.Append(" ,Value2:"); sb.Append(data.Value2);           }           sb.Append(" ,Value3:"); sb.Append(data.Value3);           sb.Append(" ,Value4:"); sb.Append(data.Value4);           sb.Append(" ,Value5:"); sb.Append(data.Value5);           if (data.Value6 > 20)           {               sb.Append(" ,Value6:"); sb.AppendFormat("{0:F2}", data.Value6);           }           sb.Append(" ,Value7:"); sb.AppendFormat("{0:yyyy-MM-dd HH:mm:ss}", data.Value7);           sb.Append(" ,Value8:"); sb.AppendFormat("{0:HH:mm:ss}", data.Value8);           sb.Append(" ,Value9:"); sb.AppendFormat("{0:yyyy-MM-dd}", data.Value9);           sb.Append(" ,Value10:");           if (data.Value10 is null or {Length: 0}) return sb.ToString();           for (int i = 0; i < data.Value10.Length; i++)           {               sb.Append(data.Value10[i]);           }              return sb.ToString();       }      // StringBuilder使用Capacity     [Benchmark]       public string StringBuilderCapacity()       {           var data = Data;           var sb = new StringBuilder(20480);           sb.Append("Value1:"); sb.Append(data.Value1);           if (data.Value2 > 10)           {               sb.Append(" ,Value2:"); sb.Append(data.Value2);           }           sb.Append(" ,Value3:"); sb.Append(data.Value3);           sb.Append(" ,Value4:"); sb.Append(data.Value4);           sb.Append(" ,Value5:"); sb.Append(data.Value5);           if (data.Value6 > 20)           {               sb.Append(" ,Value6:"); sb.AppendFormat("{0:F2}", data.Value6);           }           sb.Append(" ,Value7:"); sb.AppendFormat("{0:yyyy-MM-dd HH:mm:ss}", data.Value7);           sb.Append(" ,Value8:"); sb.AppendFormat("{0:HH:mm:ss}", data.Value8);           sb.Append(" ,Value9:"); sb.AppendFormat("{0:yyyy-MM-dd}", data.Value9);           sb.Append(" ,Value10:");           if (data.Value10 is null or {Length: 0}) return sb.ToString();           for (int i = 0; i < data.Value10.Length; i++)           {               sb.Append(data.Value10[i]);           }              return sb.ToString();       }        // 直接使用+=拼接字符串     [Benchmark]       public string StringConcat()       {           var str = "";           var data = Data;           str += ("Value1:"); str += (data.Value1);           if (data.Value2 > 10)           {               str += " ,Value2:"; str += data.Value2;           }           str += " ,Value3:"; str += (data.Value3);           str += " ,Value4:"; str += (data.Value4);           str += " ,Value5:"; str += (data.Value5);           if (data.Value6 > 20)           {               str += " ,Value6:"; str += data.Value6.ToString("F2");           }           str += " ,Value7:"; str += data.Value7.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");           str += " ,Value8:"; str += data.Value8.ToString("HH:mm:ss");           str += " ,Value9:"; str += data.Value9.ToString("yyyy-MM-dd");           str += " ,Value10:";           if (data.Value10 is not null && data.Value10.Length > 0)           {               for (int i = 0; i < data.Value10.Length; i++)               {                   str += (data.Value10[i]);               }              }              return str;       }          // 使用栈上分配的ValueStringBuilder     [Benchmark]       public string ValueStringBuilderOnStack()       {           var data = Data;           Span<char> buffer = stackalloc char[20480];           var sb = new ValueStringBuilder(buffer);           sb.Append("Value1:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value1);           if (data.Value2 > 10)           {               sb.Append(" ,Value2:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value2);           }           sb.Append(" ,Value3:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value3);           sb.Append(" ,Value4:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value4);           sb.Append(" ,Value5:"); sb.Append(data.Value5);           if (data.Value6 > 20)           {               sb.Append(" ,Value6:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value6, "F2");           }           sb.Append(" ,Value7:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value7, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss");           sb.Append(" ,Value8:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value8, "HH:mm:ss");           sb.Append(" ,Value9:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value9, "yyyy-MM-dd");           sb.Append(" ,Value10:");           if (data.Value10 is not null && data.Value10.Length > 0)           {               for (int i = 0; i < data.Value10.Length; i++)               {                   sb.AppendSpanFormattable(data.Value10[i]);               }              }              return sb.ToString();       }     // 使用ArrayPool 堆上分配的StringBuilder     [Benchmark]       public string ValueStringBuilderOnHeap()       {           var data = Data;           var sb = new ValueStringBuilder(20480);           sb.Append("Value1:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value1);           if (data.Value2 > 10)           {               sb.Append(" ,Value2:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value2);           }           sb.Append(" ,Value3:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value3);           sb.Append(" ,Value4:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value4);           sb.Append(" ,Value5:"); sb.Append(data.Value5);           if (data.Value6 > 20)           {               sb.Append(" ,Value6:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value6, "F2");           }           sb.Append(" ,Value7:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value7, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss");           sb.Append(" ,Value8:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value8, "HH:mm:ss");           sb.Append(" ,Value9:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value9, "yyyy-MM-dd");           sb.Append(" ,Value10:");           if (data.Value10 is not null && data.Value10.Length > 0)           {               for (int i = 0; i < data.Value10.Length; i++)               {                   sb.AppendSpanFormattable(data.Value10[i]);               }              }            return sb.ToString();       }        } 

结果如下所示。

从上图的结果中,我们可以得出如下的结论。

  • 使用StringConcat是最慢的,这种方式是无论如何都不推荐的。
  • 使用StringBuilder要比使用StringConcat快6.5倍,这是推荐的方法。
  • 设置了初始容量的StringBuilder要比直接使用StringBuilder快25%,正如我在你应该为集合类型设置初始大小一样,设置初始大小绝对是相当推荐的做法。
  • 栈上分配的ValueStringBuilderStringBuilder要快50%,比设置了初始容量的StringBuilder还快25%,另外它的GC次数是最低的。
  • 堆上分配的ValueStringBuilderStringBuilder要快55%,他的GC次数稍高与栈上分配。
    从上面的结论中,我们可以发现ValueStringBuilder的性能非常好,就算是在栈上分配缓冲区,性能也比StringBuilder快25%。

源码解析

ValueStringBuilder的源码不长,我们挑几个重要的方法给大家分享一下,部分源码如下。

// 使用 ref struct 该对象只能在栈上分配 public ref struct ValueStringBuilder {     // 如果从ArrayPool里分配buffer 那么需要存储一下     // 以便在Dispose时归还     private char[]? _arrayToReturnToPool;     // 暂存外部传入的buffer     private Span<char> _chars;     // 当前字符串长度     private int _pos;      // 外部传入buffer     public ValueStringBuilder(Span<char> initialBuffer)     {         // 使用外部传入的buffer就不使用从pool里面读取的了         _arrayToReturnToPool = null;         _chars = initialBuffer;         _pos = 0;     }      public ValueStringBuilder(int initialCapacity)     {         // 如果外部传入了capacity 那么从ArrayPool里面获取         _arrayToReturnToPool = ArrayPool<char>.Shared.Rent(initialCapacity);         _chars = _arrayToReturnToPool;         _pos = 0;     }      // 返回字符串的Length 由于Length可读可写     // 所以重复使用ValueStringBuilder只需将Length设置为0     public int Length     {         get => _pos;         set         {             Debug.Assert(value >= 0);             Debug.Assert(value <= _chars.Length);             _pos = value;         }     }      ......      [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]     public void Append(char c)     {         // 添加字符非常高效 直接设置到对应Span位置即可         int pos = _pos;         if ((uint) pos < (uint) _chars.Length)         {             _chars[pos] = c;             _pos = pos + 1;         }         else         {             // 如果buffer空间不足,那么会走             GrowAndAppend(c);         }     }      [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]     public void Append(string? s)     {         if (s == null)         {             return;         }          // 追加字符串也是一样的高效         int pos = _pos;         // 如果字符串长度为1 那么可以直接像追加字符一样         if (s.Length == 1 && (uint) pos < (uint) _chars .Length)         {             _chars[pos] = s[0];             _pos = pos + 1;         }         else         {             // 如果是多个字符 那么使用较慢的方法             AppendSlow(s);         }     }      private void AppendSlow(string s)     {         // 追加字符串 空间不够先扩容         // 然后使用Span复制 相当高效         int pos = _pos;         if (pos > _chars.Length - s.Length)         {             Grow(s.Length);         }          s #if !NETCOREAPP                 .AsSpan() #endif             .CopyTo(_chars.Slice(pos));         _pos += s.Length;     }      // 对于需要格式化的对象特殊处理     [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]     public void AppendSpanFormattable<T>(T value, string? format = null, IFormatProvider? provider = null)         where T : ISpanFormattable     {         // ISpanFormattable非常高效         if (value.TryFormat(_chars.Slice(_pos), out int charsWritten, format, provider))         {             _pos += charsWritten;         }         else         {             Append(value.ToString(format, provider));         }     }      [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]     private void GrowAndAppend(char c)     {         // 单个字符扩容在添加         Grow(1);         Append(c);     }      // 扩容方法     [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]     private void Grow(int additionalCapacityBeyondPos)     {         Debug.Assert(additionalCapacityBeyondPos > 0);         Debug.Assert(_pos > _chars.Length - additionalCapacityBeyondPos,             "Grow called incorrectly, no resize is needed.");          // 同样也是2倍扩容,默认从对象池中获取buffer         char[] poolArray = ArrayPool<char>.Shared.Rent((int) Math.Max((uint) (_pos + additionalCapacityBeyondPos),             (uint) _chars.Length * 2));          _chars.Slice(0, _pos).CopyTo(poolArray);          char[]? toReturn = _arrayToReturnToPool;         _chars = _arrayToReturnToPool = poolArray;         if (toReturn != null)         {             // 如果原本就是使用的对象池 那么必须归还             ArrayPool<char>.Shared.Return(toReturn);         }     }      //      [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]     public void Dispose()     {         char[]? toReturn = _arrayToReturnToPool;         this = default; // 为了安全,在释放时置空当前对象         if (toReturn != null)         {             // 一定要记得归还对象池             ArrayPool<char>.Shared.Return(toReturn);         }     } } 

从上面的源码我们可以总结出ValueStringBuilder的几个特征:

  • 比起StringBuilder来说,实现方式非常简单。
  • 一切都是为了高性能,比如各种Span的用法,各种内联参数,以及使用对象池等等。
  • 内存占用非常低,它本身就是结构体类型,另外它是ref struct,意味着不会被装箱,不会在堆上分配。

适用场景

ValueStringBuilder是一种高性能的字符串创建方式,针对于不同的场景,可以有不同的使用方式。
1.非常高频次的字符串拼接的场景,并且字符串长度较小此时可以使用栈上分配ValueStringBuilder
大家都知道现在ASP.NET Core性能非常好,在其依赖的内部库UrlBuilder中,就使用栈上分配,因为栈上分配在当前方法结束后内存就会回收,所以不会造成任何GC压力。

2.非常高频次的字符串拼接场景,但是字符串长度不可控此时使用ArrayPool指定容量ValueStringBuilder。比如在.NET BCL库中有很多场景使用,比如动态方法的ToString实现。从池中分配虽然没有栈上分配那么高效,但是一样的能降低内存占用和GC压力。

3. 非常高频次的字符串拼接场景,但是字符串长度可控,此时可以栈上分配和ArrayPool分配联合使用,比如正则表达式解析类中,如果字符串长度较小那么使用栈空间,较大那么使用ArrayPool。

需要注意的场景

1.在async/await中无法使用ValueStringBuilder。原因大家也都知道,因为ValueStringBuilderref struct它只能在栈上分配async/await会编译成状态机拆分await前后的方法,所以ValueStringBuilder不好在方法内传递,不过编译器也会警告。

2.无法将ValueStringBuilder作为返回值返回,因为在当前栈上分配,方法结束后它会被释放,返回它将指向未知的地址。这个编译器也会警告。

3.如果要将ValueStringBuilder传递给其它方法,那么必须使用ref传递,否则发生值拷贝会存在多个实例。这个编译器不会警告,但是你必须非常注意。

4. 如果使用栈上分配,那么Buffer大小控制在5KB内比较稳妥,至于为什么需要这样,后面有机会在讲一讲。

总结

今天和大家分享了一下高性能几乎无内存占用的字符串拼接结构体ValueStringBuilder,在大多数的场景还是推荐大家使用。但是要非常注意上面提到的的几个场景,如果不符合条件,那么大家还是可以使用高效的StringBuilder来进行字符串拼接。

本文源码链接: https://github.com/InCerryGit/BlogCode-Use-ValueStringBuilder

商匡云商
Logo
注册新帐户
对比商品
  • 合计 (0)
对比
0
购物车