五个 .NET 性能小贴士

原创

精致码农 2021-09-14 14:18:38 ©著作权

文章标签 基准测试 i++ 引用类型数组 .net 文章分类 代码人生

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作者：Nikita Starichenko

大家好！今天我想和大家分享几个 .NET 的性能小贴士与基准测试。

我的系统环境：

BenchmarkDotNet=v0.13.0, OS=Windows 10.0.19042.985
Intel Core i7-9750H CPU 2.60GHz, 1 CPU, 12 logical and 6 physical cores
.NET SDK=5.0.104

我将以百分比的形式提供基准测试结果，其中 100% 是最快的结果。

1用 StringBuilder 拼接字符串

我们知道，字符串 string 是不可变的。因此，每当你拼接字符串时，就会分配一个新的字符串对象，并填充内容，最终被回收。所有这些都有昂贵开销，这就是为什么 StringBuilder 在字符串拼接时总有更好的性能。

基准测试例子：

private static StringBuilder sb = new();

[Benchmark]
public void Concat3() => ExecuteConcat(3);
[Benchmark]
public void Concat5() => ExecuteConcat(5);
[Benchmark]
public void Concat10() => ExecuteConcat(10);
[Benchmark]
public void Concat100() => ExecuteConcat(100);
[Benchmark]
public void Concat1000() => ExecuteConcat(1000);

[Benchmark]
public void Builder3() => ExecuteBuilder(3);
[Benchmark]
public void Builder5() => ExecuteBuilder(5);
[Benchmark]
public void Builder10() => ExecuteBuilder(10);
[Benchmark]
public void Builder100() => ExecuteBuilder(100);
[Benchmark]
public void Builder1000() => ExecuteBuilder(1000);

public void ExecuteConcat(int size)
{
string s = "";
for (int i = 0; i < size; i++)
{
s += "a";
}
}

public void ExecuteBuilder(int size)
{
sb.Clear();
for (int i = 0; i < size; i++)
{
sb.Append("a");
}
}

结果：

1. 3 string concatenations - 218% (35.21 ns)
2. 3 StringBuilder concatenations - 100% (16.09 ns)

1. 5 string concatenations - 277% (66.99 ns)
2. 5 StringBuilder concatenations - 100% (24.16 ns)

1. 10 string concatenations - 379% (160.69 ns)
2. 10 StringBuilder concatenations - 100% (42.37 ns)

1. 100 string concatenations - 711% (2,796.63 ns)
2. 100 StringBuilder concatenations - 100% (393.12 ns)

1. 1000 string concatenations - 3800% (144,100.46 ns)
2. 1000 StringBuilder concatenations - 100% (3,812.22 ns)

2赋予动态集合初始大小

.NET 提供了很多集合类型，比如 List<T>, Dictionary<T>, 和 HashSet<T>。所有这些集合都有动态的容量，当你添加更多的项目时，它们的大小会自动扩大。

当集合达到其大小限制时，它将分配一个新的更大的内存缓冲区，这意味着要进行额外的开销去分配容量。

基准测试例子：

[Benchmark]
public void ListDynamicCapacity()
{
List<int> list = new List<int>();
for (int i = 0; i < Size; i++)
{
list.Add(i);
}
}
[Benchmark]
public void ListPlannedCapacity()
{
List<int> list = new List<int>(Size);
for (int i = 0; i < Size; i++)
{
list.Add(i);
}
}

在第一个方法中，List 集合使用默认容量初始化，并动态扩大。在第二个方法中，初始容量被设置为它所需要的固定大小。

对于 1000 个项目，其结果是：

1. List Dynamic Capacity - 140% (2.490 us)
2. List Planned Capacity - 100% (1.774 us)

Dictionary 和 HashSet 的测试结果是：

1. Dictionary Dynamic Capacity - 233% (20.314 us)
2. Dictionary Planned Capacity - 100% (8.702 us)

1. HashSet Dynamic Capacity - 223% (17.004 us)
2. HashSet Planned Capacity - 100% (7.624 us)

3ArrayPool 用于短时大数组

数组的分配和回收的开销可能是相当昂贵的，高频地执行这些分配会增加 GC 的压力并损害性能。一个优雅的解决方案使用是 System.Buffers.ArrayPool 类，它可以在 NuGet 的 Systems.Buffers 中找到。

这个思想和 ThreadPool 很相似。为数组分配一个共享缓冲区，你可以重复使用，而不需要实际分配和回收它们占用的内存。基本用法是调用 ArrayPool<T>.Shared.Rent(size)，这将返回一个常规数组，你可以以任何方式使用它。完成后，调用 ArrayPool<int>.Shared.Return(array) 将缓冲区返回到共享池中。

基准测试例子：

[Benchmark]
public void RegularArray()
{
int[] array = new int[ArraySize];
}
[Benchmark]
public void SharedArrayPool()
{
var pool = ArrayPool<int>.Shared;
int[] array = pool.Rent(ArraySize);
pool.Return(array);
}

ArraySize = 1000 的结果：

1. Regular Array - 2270% (440.41 ns)
2. Shared ArrayPool - 100% (19.40 ns)

4结构代替类

当涉及到对象回收时，Struct 有如下几个好处：

当结构类型不是类的一部分时，它们被分配在堆栈中，根本不需要垃圾回收。
当结构是类（或任何引用类型）的一部分时，它们被存储在堆中。在这种情况下，它们是内联存储的，并且会随包含类型回收而回收。内联意味着该结构的数据是按原样存储的，这与引用类型相反，在引用类型中，指针被存储到堆上另一个位置。所以回收的成本要低很多。
结构比引用类型占用的内存更少，因为它们没有 ObjectHeader 和 MethodTable。

基准测试例子：

class VectorClass
{
public int X { get; set; }
public int Y { get; set; }
}

struct VectorStruct
{
public int X { get; set; }
public int Y { get; set; }
}

private const int ITEMS = 10000;

[Benchmark]
public void WithClass()
{
VectorClass[] vectors = new VectorClass[ITEMS];
for (int i = 0; i < ITEMS; i++)
{
vectors[i] = new VectorClass();
vectors[i].X = 5;
vectors[i].Y = 10;
}
}

[Benchmark]
public void WithStruct()
{
VectorStruct[] vectors = new VectorStruct[ITEMS];
// At this point all the vectors instances are already allocated with default values
for (int i = 0; i < ITEMS; i++)
{
vectors[i].X = 5;
vectors[i].Y = 10;
}
}

结果：

1. With Class - 742% (88.83 us)
2. With Struct - 100% (11.97 us)

5ConcurrentQueue<T> 代替 ConcurrentBag<T>

在没有基准测试的情况下，不要使用 ConcurrentBag<T>。这个集合是为非常特殊的使用场景而设计的（当经常有项目被排队的线程删除时）。如果需要一个并发的集合队列，请选择 ConcurrentQueue<T>。

基准测试例子：

private static int Size = 1000;

[Benchmark]
public void Bag()
{
ConcurrentBag<int> bag = new();
for (int i = 0; i < Size; i++)
{
bag.Add(i);
}
}

[Benchmark]
public void Queue()
{
ConcurrentQueue<int> bag = new();
for (int i = 0; i < Size; i++)
{
bag.Enqueue(i);
}
}