五个 .NET 性能小贴士

原文：bit.ly/3wSpO4o
作者：Nikita Starichenko
翻译：精致码农

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。

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");
    }
}

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)

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)

ArrayPool 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)

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;
    }
}

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

ConcurrentQueue<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);
    }
}

1. ConcurrentBag - 165% (24.21 us)
2. ConcurrentQueue - 100% (14.64 us)

感谢大家阅读！