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.NET性能优化ValueStringBuilder拼接字符串如何使用

2023-07-02 08:48

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今天小编给大家分享一下.NET性能优化ValueStringBuilder拼接字符串如何使用的相关知识点,内容详细,逻辑清晰,相信大部分人都还太了解这方面的知识,所以分享这篇文章给大家参考一下,希望大家阅读完这篇文章后有所收获,下面我们一起来了解一下吧。

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。

.NET性能优化ValueStringBuilder拼接字符串如何使用

从上图的结果中,我们可以得出如下的结论。

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:

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。

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ValueStringBuilder拼接字符串如何使用

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ValueStringBuilder拼接字符串如何使用

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ValueStringBuilder拼接字符串如何使用

需要注意的场景

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。

.NET性能优化ValueStringBuilder拼接字符串如何使用

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。

.NET性能优化ValueStringBuilder拼接字符串如何使用

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。

.NET性能优化ValueStringBuilder拼接字符串如何使用

 如果使用栈上分配,那么Buffer大小控制在5KB内比较稳妥。

以上就是“.NET性能优化ValueStringBuilder拼接字符串如何使用”这篇文章的所有内容,感谢各位的阅读!相信大家阅读完这篇文章都有很大的收获,小编每天都会为大家更新不同的知识,如果还想学习更多的知识,请关注编程网行业资讯频道。

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