.NET性能優化-為結構體數組使用StructLinq

前言

本系列的主要目的是告訴大家在遇到性能問題時，有哪些方案可以去優化；并不是要求大家一開始就使用這些方案來提升性能。
在之前幾篇文章中，有很多網友就有一些非此即彼的觀念，在實際中，處處都是開發效率和性能之間取舍的藝術。《計算機編程藝術》一書中提到過早優化是萬惡之源，在進行性能優化時，你必須要問自己幾個問題，看需不要進行性能優化。

  • 優化的成本高么？

  • 如果立刻開始優化會帶來什么影響？

  • 因為對任務目標的影響或是興趣等其他原因而關注這個問題？

  • 任務目標影響有多大？

  • 隨著硬件性能提升或者框架版本升級，優化的結果會不會過時？

  • 如果不進行優化或延遲優化的進行會帶來什么負面的影響？

  • 如果不進行優化或延遲優化，相應的時間或成本可以完成什么事情，是否更有價值？

如果評估下來，還是優化的利大于弊，而且在合理的時間范圍內，那么就去做；如果覺得當前應用的QPS不高、用戶體驗也還好、內存和CPU都有空余，那么就放一放，主要放在二八法則中能為你創建80%價值的事情上。但是大家要記住過早優化是萬惡之源不是寫垃圾代碼的借口。

回到正題，在上篇文章《使用結構體替代類》中有寫在緩存和大數據量計算時使用結構體有諸多的好處，最后關于計算性能的例子中，我使用的是簡單的for循環語句，但是在C#中我們使用LINQ多于使用for循環。有小伙伴就問了兩個問題：

  • 平時使用的LINQ對于結構體是值傳遞還是引用傳遞？

  • 如果是值傳遞，那么有沒有辦法改為引用傳遞？達到更好性能？
    針對這兩個問題特意寫一篇回答一下，字數不多，幾分鐘就能閱讀完。

Linq是值傳遞

在.NET平臺上，默認對于值類型的方法傳參都是值傳遞，除非在方法參數上指定ref，才能變為引用傳遞。
同樣，在LINQ實現的Where、Select、Take眾多方法中，也沒有加入ref關鍵字，所以在LINQ中全部都是值傳遞，如果結構體Size大于8byte（當前平臺的指針大小），那么在調用方法時，結構體的速度要慢于引用傳遞的類。
比如我們編寫如下代碼，使用常見的Linq API進行數據的結構化查詢，分別使用結構體和類，看看效果，數組數據量為1w。

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 struct SomeStruct  
{  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;
}[MemoryDiagnoser]  
[Orderer(SummaryOrderPolicy.FastestToSlowest)]  
public class Benchmark  
{  private static readonly SomeClass[] ClassArray;  private static readonly SomeStruct[] StructArray;  static Benchmark()  {  var baseTime = DateTime.Now;  ClassArray = new SomeClass[10000];  StructArray = new SomeStruct[10000];  for (int i = 0; i < 10000; i++)  {  var item = new SomeStruct  {  Value1 = i, Value2 = i, Value3 = i,  Value4 = i, Value5 = i.ToString(),  Value6 = i, Value7 = baseTime.AddHours(i),  Value8 = TimeOnly.MinValue, Value9 = DateOnly.MaxValue  };  StructArray[i] = item;  ClassArray[i] = new SomeClass  {  Value1 = i, Value2 = i, Value3 = i,  Value4 = i, Value5 = i.ToString(),  Value6 = i, Value7 = baseTime.AddHours(i),  Value8 = TimeOnly.MinValue, Value9 = DateOnly.MaxValue  };  }  }  [Benchmark(Baseline = true)]  public decimal Class()  {  return ClassArray.Where(x => x.Value1 > 5000)  .Where(x => x.Value3 > 5000)  .Where(x => x.Value7 > DateTime.MinValue)  .Where(x => x.Value5 != string.Empty)  .Where(x => x.Value6 > 1)  .Where(x => x.Value8 > TimeOnly.MinValue)  .Where(x => x.Value9 > DateOnly.MinValue)  .Skip(100)  .Take(10000)  .Select(x => x.Value6)  .Sum();  }  [Benchmark]  public decimal Struct()  {  return StructArray.Where(x => x.Value1 > 5000)  .Where(x => x.Value3 > 5000)  .Where(x => x.Value7 > DateTime.MinValue)  .Where(x => x.Value5 != string.Empty)  .Where(x => x.Value6 > 1)  .Where(x => x.Value8 > TimeOnly.MinValue)  .Where(x => x.Value9 > DateOnly.MinValue)  .Skip(100)  .Take(10000)  .Select(x => x.Value6)  .Sum();  }  
}

Benchmakr的結果如下，大家看到在速度上有5倍的差距，結構體由于頻繁裝箱內存分配的也更多。
b703a4a2e022e7aae875080c8a4957a2.png
那么注定沒辦開開心心的在結構體上用LINQ了嗎？那當然不是，引入我們今天要給大家介紹的項目。

使用StructLinq

首先來介紹一下StructLinq，在C#中用結構體實現LINQ，以大幅減少內存分配并提高性能。引入IRefStructEnumerable，以提高元素為胖結構體(胖結構體是指結構體大小大于16Byte)時的性能。

引入StructLinq

這個庫已經分發在?NuGet上。可以直接通過下面的命令安裝?StructLinq?:

PM> Install-Package StructLinq

簡單使用

下方就是一個簡單的使用，用來求元素和。唯一不同的地方就是需要調用ToStructEnumerable方法。

using StructLinq;int[] array = new [] {1, 2, 3, 4, 5};int result = array.ToStructEnumerable().Where(x => (x & 1) == 0, x=>x).Select(x => x *2, x => x).Sum();

x=>x用于避免裝箱（和分配內存），并幫助泛型參數推斷。你也可以通過對Where和Select函數使用結構來提高性能。

性能

所有的跑分結果你可以在這里找到. 舉一個例子，下方代碼的Linq查詢:

list.Where(x => (x & 1) == 0).Select(x => x * 2).Sum();

可以被替換為下面的代碼:

list.ToStructEnumerable().Where(x => (x & 1) == 0).Select(x => x * 2).Sum();

或者你想零分配內存，可以像下面一樣寫（類型推斷出來，沒有裝箱）:

list.ToStructEnumerable().Where(x => (x & 1) == 0, x=>x).Select(x => x * 2, x=>x).Sum(x=>x);

如果想要零分配和更好的性能，可以像下面一樣寫：

var where = new WherePredicate();var select = new SelectFunction();list.ToStructEnumerable().Where(ref @where, x => x).Select(ref @select, x => x, x => x).Sum(x => x);

上方各個代碼的Benchmark結果如下所示:

BenchmarkDotNet=v0.12.1, OS=Windows 10.0.19042
Intel Core i7-8750H CPU 2.20GHz (Coffee Lake), 1 CPU, 12 logical and 6 physical cores
.NET Core SDK=5.0.101[Host]     : .NET Core 5.0.1 (CoreCLR 5.0.120.57516, CoreFX 5.0.120.57516), X64 RyuJITDefaultJob : .NET Core 5.0.1 (CoreCLR 5.0.120.57516, CoreFX 5.0.120.57516), X64 RyuJIT
MethodMeanErrorStdDevRatioGen 0Gen 1Gen 2Allocated
LINQ65.116 μs0.6153 μs0.5756 μs1.00---152 B
StructLinqWithDelegate26.146 μs0.2402 μs0.2247 μs0.40---96 B
StructLinqWithDelegateZeroAlloc27.854 μs0.0938 μs0.0783 μs0.43----
StructLinqZeroAlloc6.872 μs0.0155 μs0.0137 μs0.11----

StructLinq在這些場景里比默認的LINQ實現快很多。

在上文場景中使用

我們也把上面的示例代碼使用StructLinq改寫一下。

// 引用類型使用StructLinq
[Benchmark]  
public double ClassStructLinq()  
{  return ClassArray  .ToStructEnumerable()  .Where(x => x.Value1 > 5000)  .Where(x => x.Value3 > 5000)  .Where(x => x.Value7 > DateTime.MinValue)  .Where(x => x.Value5 != string.Empty)  .Where(x => x.Value6 > 1)  .Where(x => x.Value8 > TimeOnly.MinValue)  .Where(x => x.Value9 > DateOnly.MinValue)  .Skip(100)  .Take(10000)  .Select(x => x.Value4)  .Sum(x => x);  
}  // 結構體類型使用StructLinq
[Benchmark]  
public double StructLinq()  
{  return StructArray  .ToStructEnumerable()  .Where(x => x.Value1 > 5000)  .Where(x => x.Value3 > 5000)  .Where(x => x.Value7 > DateTime.MinValue)  .Where(x => x.Value5 != string.Empty)  .Where(x => x.Value6 > 1)  .Where(x => x.Value8 > TimeOnly.MinValue)  .Where(x => x.Value9 > DateOnly.MinValue)  .Skip(100)  .Take(10000)  .Select(x => x.Value4)  .Sum(x => x);  
}  // 結構體類型 StructLinq 零分配
[Benchmark]  
public double StructLinqZeroAlloc()  
{  return StructArray  .ToStructEnumerable()  .Where(x => x.Value1 > 5000, x=> x)  .Where(x => x.Value3 > 5000, x => x)  .Where(x => x.Value7 > DateTime.MinValue, x => x)  .Where(x => x.Value5 != string.Empty, x => x)  .Where(x => x.Value6 > 1, x => x)  .Where(x => x.Value8 > TimeOnly.MinValue, x => x)  .Where(x => x.Value9 > DateOnly.MinValue, x => x)  .Skip(100)  .Take(10000)  .Select(x => x.Value4, x => x)  .Sum(x => x);  
}  // 結構體類型 StructLinq 引用傳遞
[Benchmark]  
public double StructLinqRef()  
{  return StructArray  .ToRefStructEnumerable()  // 這里使用的是ToRefStructEnumerable.Where((in SomeStruct x) => x.Value1 > 5000)  .Where((in SomeStruct x) => x.Value3 > 5000)  .Where((in SomeStruct x) => x.Value7 > DateTime.MinValue)  .Where((in SomeStruct x) => x.Value5 != string.Empty)  .Where((in SomeStruct x) => x.Value6 > 1)  .Where((in SomeStruct x) => x.Value8 > TimeOnly.MinValue)  .Where((in SomeStruct x) => x.Value9 > DateOnly.MinValue)  .Skip(100)  .Take(10000)  .Select((in SomeStruct x) => x.Value4)  .Sum(x => x);  
}  // 結構體類型 StructLinq 引用傳遞 零分配
[Benchmark]  
public double StructLinqRefZeroAlloc()  
{  return StructArray  .ToRefStructEnumerable()  .Where((in SomeStruct x) => x.Value1 > 5000, x=> x)  .Where((in SomeStruct x) => x.Value3 > 5000, x=> x)  .Where((in SomeStruct x) => x.Value7 > DateTime.MinValue, x=> x)  .Where((in SomeStruct x) => x.Value5 != string.Empty, x=> x)  .Where((in SomeStruct x) => x.Value6 > 1, x => x)  .Where((in SomeStruct x) => x.Value8 > TimeOnly.MinValue, x=> x)  .Where((in SomeStruct x) => x.Value9 > DateOnly.MinValue, x=> x)  .Skip(100, x => x)  .Take(10000, x => x)  .Select((in SomeStruct x) => x.Value4, x=> x)  .Sum(x => x, x=>x);  
}  // 結構體 直接for循環
[Benchmark]  
public double StructFor()  
{  double sum = 0;  int skip = 100;  int take = 10000;  for (int i = 0; i < StructArray.Length; i++)  {  ref var x = ref StructArray[i];  if(x.Value1 <= 5000) continue;  if(x.Value3 <= 5000) continue;  if(x.Value7 <= DateTime.MinValue) continue;  if(x.Value5 == string.Empty) continue;  if(x.Value6 <= 1) continue;  if(x.Value8 <= TimeOnly.MinValue) continue;  if(x.Value9 <= DateOnly.MinValue) continue;  if(i < skip) continue;  if(i >= skip + take) break;  sum += x.Value4;  }  return sum;  
}

最后的Benchmark結果如下所示。
f8bfaab4fd0d3898e6b576cef36b8482.png
從以上Benchmark結果可以得出以下結論：

  • 類和結構體都可以使用StructLinq來減少內存分配。

  • 類和結構體使用StructLinq都會導致代碼跑的更慢。

  • 結構體類型使用StructLinq的引用傳遞模式可以獲得5倍的性能提升，比引用類型更快。

  • 無論是LINQ還是StructLinq由于本身的復雜性，性能都沒有For循環來得快。

總結

在已經用上結構體的高性能場景，其實不建議使用LINQ了，因為LINQ本身它性能就存在瓶頸，它主要就是為了提升開發效率。建議直接使用普通循環。
如果一定要使用，那么建議大于8byte的結構體使用StructLinq的引用傳遞模式(ToRefStructEnumerable)，這樣可以把普通LINQ結構體的性能提升5倍以上，也能幾乎不分配額外的空間。

作者：InCerry

出處：https://www.cnblogs.com/InCerry/p/Dotnet-Perf-Opt-Use-StructLinq-For-ValueType.html

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