淺談C# StringBuilder內(nèi)存碎片對性能的影響
StringBuilder內(nèi)部是由多段char[]組成的半自動鏈表,因此頻繁從中間修改StringBuilder,會將原本連續(xù)的內(nèi)存分隔為多段,從而影響讀取/遍歷性能。
連續(xù)內(nèi)存與不連續(xù)內(nèi)存的性能差,可能高達1600倍。
背景
用StringBuilder的用戶可能大都想用StringBuilder拼接html/json模板、組裝動態(tài)SQL等正常操作。但在一些特殊場景中——如為某種編程語言寫語言服務(wù),或者寫一個富文本編輯器時,StringBuilder依然也有用武之地,通過里面的Insert/Remove兩個方法來修改。
測試方法
Talk is cheap, show me the code:
int docLength = 10000; void Main() { (from power in Enumerable.Range (1, 16) let mutations = (int) Math.Pow (2, power) select new { mutations, PerformanceRatio = Math.Round (GetPerformanceRatio (docLength, mutations), 1) }).Dump(); } float GetPerformanceRatio (int docLength, int mutations) { var sb = new StringBuilder ("".PadRight (docLength)); var before = GetPerformance (sb); FragmentStringBuilder (sb, mutations); var after = GetPerformance (sb); return (float) after.Ticks / before.Ticks; } void FragmentStringBuilder (StringBuilder sb, int mutations) { var r = new Random(42); for (int i = 0; i < mutations; i++) { sb.Insert (r.Next (sb.Length), 'x'); sb.Remove (r.Next (sb.Length), 1); } } TimeSpan GetPerformance (StringBuilder sb) { var sw = Stopwatch.StartNew(); long tot = 0; for (int i = 0; i < sb.Length; i++) { char c = sb[i]; tot += (int) c; } sw.Stop(); return sw.Elapsed; }
關(guān)于這段代碼,請注意以下幾點:
- 通過.PadRight(n)來直接創(chuàng)建長度為n的空白字符串,可以用new string(' ', n)來代替;
- new Random(42)處,我指定了一個隨機因子,確保每次分隔后分隔的位置完全相同,有利于做對照組;
- 我分別對字符串進行了2^1 ~ 2^16次修改,分別比較經(jīng)過這么多次修改之后的性能差異;
- 我使用sb[i]來逐一訪問StringBuilder中的位置,使內(nèi)存不連續(xù)性更加突顯。
運行結(jié)果
mutations | PerformanceRatio |
---|---|
2 | 1 |
4 | 1 |
8 | 1 |
16 | 1 |
32 | 1 |
64 | 1.1 |
128 | 1.2 |
256 | 1.8 |
512 | 5.2 |
1024 | 19.9 |
2048 | 81.3 |
4096 | 274.5 |
8192 | 745.8 |
16384 | 1578.8 |
32768 | 1630.4 |
65536 | 930.8 |
可見如果在StringBuilder中間進行大量修改,其性能會急據(jù)下降,注意看32768次修改的情況下,遍歷時會產(chǎn)生高達1630.4倍的性能差!
解決方式
如果一定要用StringBuilder,可以考慮在修改一定次數(shù)后,重新創(chuàng)建一個新的StringBuilder,以使得訪問時獲得最佳的內(nèi)存連續(xù)性,即可解決此問題:
void FragmentStringBuilder (StringBuilder sb, int mutations) { var r = new Random(42); for (int i = 0; i < mutations; i++) { sb.Insert (r.Next (sb.Length), 'x'); sb.Remove (r.Next (sb.Length), 1); // 重點 const int defragmentCount = 250; if (i % defragmentCount == defragmentCount - 1) { string buf = sb.ToString(); sb.Clear(); sb.Append(buf); } } }
如上,每經(jīng)過250次修改,即將原StringBuilder刪除,然后重新創(chuàng)建一個新的StringBuilder,此時運行效果如下:
mutations | PerformanceRatio |
---|---|
2 | 1.2 |
4 | 0.7 |
8 | 1 |
16 | 1 |
32 | 1 |
64 | 1.1 |
128 | 1.2 |
256 | 1 |
512 | 1 |
1024 | 1 |
2048 | 1 |
4096 | 1.1 |
8192 | 1.5 |
16384 | 1.3 |
32768 | 1 |
65536 | 1 |
可見,在幾乎所有情況下,受內(nèi)存不連續(xù)造成的訪問性能問題,解決——同時250可能是一個相對比較合理的數(shù)字,在插入性能與查詢/遍歷性能中,獲得平衡。
反思與總結(jié)
眾所周知,由于string的不可變性,拼接大量字符串時,會浪費大量內(nèi)存。但使用StringBuilder也需要了解它的結(jié)構(gòu)。
StringBuilder這樣做成鏈式的結(jié)構(gòu)并非沒有原因,如果考慮插入性能,做成鏈式接口是最優(yōu)秀的。但如果考慮查詢性能,鏈式結(jié)構(gòu)就非常不利了,如果設(shè)計為非鏈式結(jié)構(gòu),從中間插入時,StringBuilder的內(nèi)存空間可能不夠,因此需要重新分配內(nèi)存,這樣相當于將StringBuilder降格為string,因此完全喪失了StringBuilder適合做“頻繁插入”的優(yōu)勢。
本文說的其實是一個非常特殊的例子,現(xiàn)實中除了語言服務(wù)、編輯器外,很少會需要這種即要頻繁插入快,也要頻繁修改快的場景。如果想簡單點搞,用StringBuilder會是一個有條件合適的解決方案。更適合的解決方案當然是專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——PieceTable,微軟在VSCode編輯器中,為了確保大文件編輯性能,使用了該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),取得了非常不錯的成果,參考鏈接:Text Buffer Reimplementation。
到此這篇關(guān)于淺談StringBuilder內(nèi)存碎片對性能的影響的文章就介紹到這了,更多相關(guān)StringBuilder 內(nèi)存碎片內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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