.NET性能优化-使用ValueStringBuilder拼接字符串

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biyusr216 2022-07-10 00:09:35 博主文章分类：C# ©著作权

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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ArrayPool的char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+=、StringBuilder和ValueStringBuilder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。

.NET性能优化-使用ValueStringBuilder拼接字符串_字符串

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ValueStringBuilder比StringBuilder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ValueStringBuilder比StringBuilder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的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。

.NET性能优化-使用ValueStringBuilder拼接字符串_字符串长度_02

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指定容量的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。

.NET性能优化-使用ValueStringBuilder拼接字符串_对象池_03

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。

.NET性能优化-使用ValueStringBuilder拼接字符串_对象池_04

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ValueStringBuilder是ref 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。

.NET性能优化-使用ValueStringBuilder拼接字符串_大数据_05