.NET高性能类及其优化技巧
基础知识
一般的，结构体的实例存储在栈中，引用类型存储在托管堆中
栈：空间比较小，但是读取速度快堆：空间比较大，但是读取速度慢
引用结构体ref struct的数据保存在栈中，因此它的读写速度非常快，另一方面，栈中的数据销毁很快，而不是像托管堆一样，交给GC去回收
在大多数情况下，连续的内存操作比非连续性的内存操作要快特别是读操作, 多线程下连续内存的写由于CPU缓存伪共享问题性能反而可能下降。
高性能操作
Span/ReadOnlySpan 和 Memory/ReadOnlyMemory：快速访问内存的方法，无需进行不必要的复制操作。
Memory
它是一种可变大小、可读写的内存块，可以安全地暴露给用户代码进行操作。
- Memory
是可变的，所以我们可以直接在内存中操作数据，而不需要进行额外的拷贝操作。例如，当你需要从一个字节数组中获取一个子数组时，传统做法可能需要先分配一个新的数组，并将原数组中的数据复制到新数组中，而使用Memory 则可以直接创建一个指向原数组的Memory 对象，并通过切片等操作来获取子数组，避免了不必要的内存分配和拷贝。 - 使用Memory
还可以减少垃圾回收的压力，因为我们不需要创建新的对象来存储数据。 - Memory
还可以与Span 和ReadOnlySpan 类型一起使用，这些类型可以方便地对数据进行访问和操作。
Memory<byte> emptyMemory = Memory<byte>.Empty; // 创建一个空内存块
byte[] byteArray = new byte[10];
Memory<byte> memory = byteArray; // 数组=>内存块
byte[] array = memory.Span.ToArray(); // 内存块=>数组
Memory<byte> slice = memory.Slice(2, 2); // 内存切片注意:当你将byte[]数组传递给Memory同一块内存，而不会进行内存复制。这意味着对Memory
byte[] byteArray = new byte[] { 0x12, 0x34, 0x56, 0x78, 0x9A };
Memory<byte> byteMemory = byteArray.AsMemory();
// 修改Memory<byte>
byteMemory.Span[0] = 0xAB;
Console.WriteLine(byteArray[0]); // 输出：0xAB注意:Span<T> 就是利用 ref struct 的产物
Span<T>中并不直接存储数据，它主要包含两个主要的信息：一个是指向数据的指针（或引用），另一个是数据的长度。这使得Span<T>能够表示一个连续的内存块，但并不实际拥有或复制这些数据。因此，当你创建一个Span<T>时，你实际上只是创建了一个轻量级的结构来引用现有的内存区域，而没有涉及任何数据的移动或复制。
System.IO.Pipelines：用于高性能 I/O。
System.IO.Pipelines 是一个用于读写数据流的高性能 API。它主要由三个部分组成：Pipe、PipelineReader 和 PipelineWriter。
Pipe 是一个异步、线程安全的缓冲区，它让数据在生产者和消费者之间流动。PipelineReader 和 PipelineWriter 则是 Pipe 的读取和写入端点。
有什么优点？
高性能：能够处理大量数据，而且不需要额外的内存分配，这意味着你可以减少内存使用量。低延迟：它能够在不阻塞线程池中的线程的情况下处理数据，这意味着你的应用程序能够更快地响应请求。异步读写：支持异步读写，这意味着你的应用程序能够同时处理多个请求，而不会阻塞线程池中的线程。可扩展性：可以很容易地扩展到多个处理器，从而实现高并发处理。
有哪些应用场景？
网络编程:它能够帮你高效地处理大量的网络数据流。你可以使用 PipelineWriter 将数据写入缓冲区，在另一个线程中使用 PipelineReader 读取缓冲区中的数据，并进行处理。文件处理:你可以将文件分块读取到缓冲区中，然后使用 PipelineReader 读取缓冲区中的数据，并进行处理。这样可以大大减少内存分配和文件 I/O 的开销，从而提高文件处理的效率。
怎么使用？
创建Pipe：创建一个缓冲区，用于读取和写入数据。写入数据：使用PipelineWriter将数据写入缓冲区。读取数据：使用PipelineReader读取缓冲区中的数据，并进行处理。
使用 ValueTask 代替 Task
ValueTask
实现异步迭代器时，C＃编译器会利用此优势，以使异步迭代器尽可能免于额外内存分配。
System.Buffers：该库提供了一组用于创建和管理缓冲区的类。
这里面有些重点类, 只列出来, 后面单独讲解:
System.Buffers.ArrayPool<T>数组池, 返回的是byte[]System.Buffers.MemoryPool<T>内存池, 返回的是IMemoryOwnerSystem.Buffers.IMemoryOwner<T>内存池的返回类型, 其内部实现MemorySystem.Buffers.IBufferWriter<T>与其实现ArrayBufferWriter<T>这个不常用, 但是在一些高级类中会遇到, 通常用在复杂的业务场景中, 简单的业务场景直接使用Span或Memory 即可 System.Buffers.ReadOnlySequence<T>只读序列, 用于表示非连续内存序列的结构。System.Buffers.ReadOnlySequenceSegment<T>只读序列分段, 一个或多个分段可以组成一个ReadOnlySequenceSystem.Buffers.SequenceReader<T>用于高效读取序列数据的工具, 它特别适用于处理 ReadOnlySequence类型的数据 System.Buffers.SequenceReaderExtensions是SequenceReader类的扩展类, 提供了从二进制数据读取字节序特定数值的功能 System.Buffers.SearchValues<T>对ReadOnlySpan或 进行高效搜索,其内只有一个Contains(T)方法
注意: ReadOnlySequence
System.Buffers.ReadOnlySequence 只读序列，不连续的Memory
内存片段 ReadOnlySequenceSegment
在我们读取数据的过程，很多时候会出现如下场景：不知道数据实际大小, 一次性申请大量内存开销太大, 此时我们往往会使用动态内存的方案，通过链表的方式串联起来，从而形成逻辑意义上的数据流。可以理解成非连续内存的ReadOnlyMemory<T>组成的链表, 我们在使用它时可以看成一个虚拟的ReadOnlyMemory
其中System.IO.Pipelines它扮演了重要的角色.
扩展阅读: https://www.cnblogs.com/jionsoft/p/13676277.html
ArraySegment数组段（分隔一维数组的一部分）
它表示数组的一段连续区域或片段。当你需要处理数组的不同部分而不复制整个数组时，ArraySegment一维数组，并且必须具有从零开始的索引。
总的来说，ArraySegment
ArraySegment<T>在做数组切片时不会发生内存复制，且其可以很方便的转化成ReadOnlySpan<T>, 但是其不能直接转化为Array如果要转化会发生内存复制，因为Array内存结构中有一个数组长度，如果要不发生内存复制的情况下转化那么必须要破坏源数组结构
System.Numerics大型整数的类
该库提供了一组用于处理大型整数的类。
System.Collections.Frozen
不可变只读集合，它的创建成本相对较高，但提供出色的查找性能, 非常适用于配置类。其不同于readonly描述符, readonly创建后可以更改key/value,只是不能重新赋值(=), 但是frozen创建后key/value也不能修改.
Pool池类
System.Buffers.ArrayPool
- 需要频繁分配和释放
小型内存块的情况，例如在高性能计算、并行处理或缓存中使用。 - 对内存使用量敏感的情况，例如在资源受限的环境中使用。
System.Buffers.MemoryPool
（注意：内存池中无Return方法，GC会高效回收, 池子本质申请的是Memory
需使用using()自动释放,或者Dispose()手动释放
- 需要动态分配
较大内存块的情况，例如处理大型文件、网络数据流等。 长时间持有内存块的情况，例如在长时间运行的服务中使用。- 需要更
高级别的内存管理控制也就是Memory<T>，例如自定义的内存管理策略。
Microsoft.Extensions.ObjectPool.ObjectPool
对象池, 使用对象池在返回池时需要进行初始化
System.Threading.ThreadPool / Task
线程池
使用 ref struct 做到 0 GC
C# 7 开始引入了一种叫做 ref struct 的结构，这种结构本质是 struct ，结构存储在栈内存。但是与 struct 不同的是，该结构不允许实现任何接口，并由编译器保证该结构永远不会被装箱，因此不会给 GC 带来任何的压力。其中 Span<T> 就是利用 ref struct 的产物
使用 unsafe
代码块使用 unsafe 修饰符标记时，C# 允许在函数中使用指针变量。不安全代码或非托管代码是指使用了指针变量的代码块。
使用 stackalloc 在栈上分配连续内存
对于部分性能敏感却需要使用少量的连续内存的情况，不必使用数组，而可以通过 stackalloc 直接在栈上分配内存，并使用 Span<T> 来安全的访问，同样的，这么做可以做到 0 GC 压力。
连续内存的数据结构有如下: 数组/字符串/结构体/枚举
使用不可变类型
不可变类型是一类特殊的类型，它们被设计为创建后就不能被修改。优点：线程安全/缓存和复用/易于维护/函数式编程, 特别适用于多线程和分布式系统等需要高度并发和异步编程的场景。
有如下一些操作使用不可变数据
- 使用
in关键字传递不可修改的引用给方法 - 使用
record类型和不可变数据 - 使用
readonly类型 - 使用不可变类型, 例如:字符串/元组/值类型/只读属性/不可变集合类(ReadOnlyDictionary/FrozenDictionary等)
BinaryPrimitives 细粒度操作字节数组
System.Buffers.Binary.BinaryPrimitives命名空间 BinaryPrimitives 的实现原理是 BitConverter，BinaryPrimitives 对 BitConverter 做了一些封装。BinaryPrimitives 中有大端小端之分, 在向byte[]中写入和读取 基本类型 时经常用到此类。
MemoryMarshal可以将一种结构转换为另一种结构
MemoryMarshal 提供与 Memory
var byteArray = new byte[] { 1, 0, 0, 0, 2, 0, 0, 0 };
Span<byte> byteSpan = byteArray.AsSpan();
Span<int> intSpan = MemoryMarshal.Cast<byte, int>(byteSpan); // int [] {1,2}System.Runtime.Caching.MemoryCache
缓存类, 类似memcache/redis
RecyclableMemoryStream 代替 MemoryStream
注意: 在处理大的流时采用RecyclableMemoryStream, 在处理小的流时采用MemoryStream。因为测试发现用于处理小的流(百个字节以内)时RecyclableMemoryStream比MemoryStream慢几倍, 内存消耗也相差不大。 但是处理几万字节流时, 其内存消耗比MemoryStream少百倍, 其getSpan等的耗时比MemoryStream少几十倍。
RecyclableMemoryStream通过池化MemoryStream底层buffer来降低内存占用率、GC暂停时间和GC次数达到提升性能目的, 开始Stream会写入小型池,当小型池装不下时会复制到大型池。这个库相比其他Stream的使用方法有所不同, 主要表现如下:
RecyclableMemoryStreamManager用于管理RecyclableMemoryStream的池等- 最好不要调用
toArray()会重新new byte[]分配内存 - 最好少调用
GetBuffer()或TryGetBuffer()因为它会将小型池内容复制到大型池,会发生一次内存复制 - 最好少调用
Write()因为大量调用会导致小型池大量的内存片段, 最好一个Stream只调用几个, 千万不要在循环中调用, 否则再调用GetBuffer就会将小型池的内存片段复制到大型池再返回, 会有大量性能损失 - 写入时调用
GetWritableBuffer(),GetSpan(),GetMemory()获取一个buffer的缓冲引用, 然后在内存引用中添加/修改, 之后再调用Advance()将缓冲区数据写入到小型池/大型池/缓冲区 - 读取时调用
GetReadOnlySequence()可以以内存片段形式返回, 不会发生任何内存复制
private static readonly RecyclableMemoryStreamManager manager = new RecyclableMemoryStreamManager();
using var memoryStream = manager.GetStream();
# 不推荐的写法
# 注意, 这样大量调用 Write(1) 会出现性能问题, 所以, 其最好不要和系统内置的 binaryReader 等库操作.
using BinaryReader binaryReader = new BinaryReader(memoryStream);
for (int i = 0; i < 1024; i++)
{
binaryReader.Write(1);
}
memoryStream.toArray();
# 推荐写法
// 获取缓冲区(具体是获取小型池/大型池/还是缓冲区的块, 取决于数据量大小)
Span<byte> buffs = memoryStream.GetSpan(1024);
// 写入&修改缓冲区
for (int i = 0; i < 1024; i++)
{
buffs[i] = 1;
}
// 缓冲区写入小型池(小数据)/大型池(启用大型池时)/缓冲区(大于定义的块时)
// 如果是 小型池/大型池 调用不需要复制内存因为Span就已经直接修改了, 如果是 缓冲区 有一次内存复制但不会产生gc
memoryStream.Advance(1024)异步编程
异步编程可以让你的应用程序在等待某些操作（如I/O操作）完成时不会阻塞主线程，从而提高应用程序的性能和响应性。使用async和await关键字可以简化异步编程。
细节优化技巧
- 使用简单的数据结构：尽量使用简单的数据结构，如数组而不是列表（List）、结构体而不是类等。
- 避免装箱和拆箱：尽量避免值类型和引用类型之间的转换，因为这会引入额外的开销。
- 使用不可变类型：不可变类型可以减少并发环境下的竞争和复杂性，提高性能。
- 使用内存池：适当地重用对象，可以通过内存池来避免频繁地分配和回收内存。
- 避免使用反射：反射操作会比直接调用方法或访问属性慢很多，尽量避免在性能敏感的代码路径中使用反射。
- 使用并行编程：在需要处理大量数据或进行并行计算时，可以考虑使用并行编程库，如 Parallel 类或异步编程模式。
- 优化关键路径：对于性能关键的代码路径，进行适当的优化，比如减少循环内部的计算、减少内存分配等。
- 使用性能分析工具：利用性能分析工具（如 Profiler）来找出性能瓶颈，并有针对性地进行优化。
- 使用StringBuilder而不是String：在C#中，字符串是不可变的。这意味着每次对字符串进行修改时，都会生成一个新的字符串对象。这可能会导致大量不必要的内存分配和垃圾回收。对于需要多次修改字符串的情况，最好使用StringBuilder类，这是一个可变对象，可以更有效地处理字符串。
- 使用异步编程：异步编程可以让您在等待某些操作（如I/O操作）完成时，同时执行其他操作。在C#中，async和await关键字是处理异步操作的常用方式。
- 合适的数据结构和算法：选择正确的数据结构和算法可以极大地提高代码的性能。例如，如果您需要频繁地在列表中查找元素，那么可能应该使用HashSet而不是List。
其他优化
- .NET 5引入了AOT，.NET Native是一个AOT编译器，通过预先将.NET应用程序编译为本地机器代码，加快了应用程序的启动时间和执行效率。
- PGO (Profile-Guided Optimization) 是使用配置文件引导的优化，是一种编译器优化技术，借助配置文件来引导编译，达到提高程序运行时性能的目的。PGO通过收集运行时信息来指导JIT如何优化代码，相比以前没有PGO时可以做更多以前难以完成的优化。这项优化是一个通用技术，不局限于某一门语言。
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github.com/kk-cpp/KeenNet
编写高效的代码，你应该了解Array、Memory、ReadOnlySequence
最后更新于 2024-05-11 17:45:49 并被添加「」标签，已有 828 位童鞋阅读过。
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