.NET性能系列文章一：.NET7的性能改进
这些方法在.NET7中变得更快
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欢迎阅读.NET性能系列的第一章。这一系列的特点是对.NET世界中许多不同的主题进行研究、比较性能。正如标题所说的那样，本章节在于.NET7中的性能改进。你将看到哪种方法是实现特定功能最快的方法，以及大量的技巧和敲门，如何付出较小的代价就能最大化你代码性能。如果你对这些主题感兴趣，那请您继续关注。
.NET 7目前（17.10.2022）处于预览阶段，将于2022年11月发布。通过这个新版本，微软提供了一些大的性能改进。这篇 .NET性能系列的第一篇文章，是关于从.NET6到.NET7最值得注意的性能改进。
LINQ
最相关的改进肯定是在LINQ中，在.NET 7中dotnet社区利用LINQ中对数字数组的处理来使用Vector<T>(SIMD)。这大大改善了一些LINQ方法性能，你可以在List<int>或int[]以及其他数字集合上调用。现在LINQ方法也能直接访问底层数组，而不是使用枚举器访问。让我们来看看这些方法相对于.NET 6是如何表现的。
我使用BenchmarkDotNet来比较.NET6和.NET7相同代码的性能。
1. Min 和 Max 方法
首先是LINQ方法Min()和Max()。它们被用来识别数字枚举中的最低值或最高值。新的实现特别要求有一个先前枚举的集合作为源，因此我们必须在这个基准测试中创建一个数组。
[Params(1000)]
public int Length { get; set; }
private int[] arr;
[GlobalSetup]
public void GlobalSetup() => arr = Enumerable.Range(0, Length).ToArray();
[Benchmark]
public int Min() => arr.Min();
[Benchmark]
public int Max() => arr.Max();
在.NET 6和.NET 7上执行这些基准，在我的机器上会得出以下结果。
| 方法 | 运行时 | 数组长度 | 平均值 | 比率 | 分配 |
|---|---|---|---|---|---|
| Min |  |
1000 | 3,494.08 ns | 53.24 | 32 B |
| Min |  |
1000 | 65.64 ns | 1.00 | - |
| Max | |
1000 | 3,025.41 ns | 45.92 | 32 B |
| Max | |
1000 | 65.93 ns | 1.00 | - |
这里非常突出的是新的.NET7所展示的性能改进有多大。我们可以看到与.NET 6相比，改进幅度超过4500%。这不仅是因为在内部实现中使用了另一种类型，而且还因为不再发生额外的堆内存分配。
2. Average 和 Sum
另一个很大的改进是Average()和Sum()方法。当处理大的double集合时，这些性能优化能展现出更好的结果，这就是为什么我们要用一个double[]来测试它们。
[Params(1000)]
public int Length { get; set; }
private double[] arr;
[GlobalSetup]
public void GlobalSetup()
{
var random = new Random();
arr = Enumerable
.Range(0, Length)
.Select(_ => random.NextDouble())
.ToArray();
}
[Benchmark]
public double Average() => arr.Average();
[Benchmark]
public double Sum() => arr.Sum();
结果显示，性能显著提高了500%以上，而且同样没有了内存分配！
| 方法 | 运行时 | 数组长度 | 平均值 | 比率 | 分配 |
|---|---|---|---|---|---|
| Average | |
1000 | 3,438.0 ns | 5.50 | 32 B |
| Average | |
1000 | 630.3 ns | 1.00 | - |
| Sum | |
1000 | 3,303.8 ns | 5.25 | 32 B |
| Sum | |
1000 | 629.3 ns | 1.00 | - |
这里的性能提升并不像前面的例子那么突出，但还是非常高的!
3. Order
接下来是这是新增了两个排序方法Order()和OrderDescending()。当你不想映射到IComparable 类型时，应该使用新的方法取代.NET7中旧的OrderBy()和OrderByDescending()方法。
[Params(1000)]
public int Length { get; set; }
private double[] arr;
[GlobalSetup]
public void GlobalSetup()
{
var random = new Random();
arr = Enumerable
.Range(0, Length)
.Select(_ => random.NextDouble())
.ToArray();
}
[Benchmark]
public double[] OrderBy() => arr.OrderBy(d => d).ToArray();
#if NET7_0
[Benchmark]
public double[] Order() => arr.Order().ToArray();
#endif
| 方法 | 数组长度 | 平均值 | 分配 |
|---|---|---|---|
| OrderBy | 1000 | 51.13 μs | 27.61 KB |
| Order | 1000 | 50.82 μs | 19.77 KB |
在这个基准中，只使用了.NET 7，因为Order()方法在旧的运行时中不可用。
我们无法看到这两种方法之间的性能影响。然而，我们可以看到的是在堆内存分配方面有很大的改进，这将显著减少垃圾收集，从而节省一些GC时间。
System.IO
在.NET 7中，Windows下的IO性能有了些许改善。WriteAllText()方法不再使用那么多分配的内存，ReadAllText()方法与.NET 6相比也快了一些。
[Benchmark]
public void WriteAllText() => File.WriteAllText(path1, content);
[Benchmark]
public string ReadAllText() => File.ReadAllText(path2);
| 方法 | 运行时 | 平均值 | 比率 | 分配 |
|---|---|---|---|---|
| WriteAllText | |
193.50 μs | 1.03 | 10016 B |
| WriteAllText | |
187.32 μs | 1.00 | 464 B |
| ReadAllText | |
23.29 μs | 1.08 | 24248 B |
| ReadAllText | |
21.53 μs | 1.00 | 24248 B |
序列化 (System.Text.Json)
来自System.Text.Json命名空间的JsonSerializer得到了一个小小的升级，一些使用了反射的自定义处理程序会在幕后为你缓存，即使你初始化一个JsonSerialzierOptions的新实例。
private JsonSerializerOptions options = new JsonSerializerOptions();
private TestClass instance = new TestClass("Test");
[Benchmark(Baseline = true)]
public string Default() => JsonSerializer.Serialize(instance);
[Benchmark]
public string CachedOptions() => JsonSerializer.Serialize(instance, options);
[Benchmark]
public string NoCachedOptions() => JsonSerializer.Serialize(instance, new JsonSerializerOptions());
public record TestClass(string Test);
在上面代码中，对NoCachedOptions()的调用通常会导致JsonSerialzierOptions的额外实例化和一些自动生成的处理程序。在.NET 7中这些实例是被缓存的，当你在代码中使用这种方法时，你的性能会好一些。否则，无论如何都要缓存你的JsonSerialzierOptions，就像在CachedOptions例子中，你不会看到很大的提升。
| 方法 | 运行时 | 平均值 | 比率 | 分配 | 分配比率 |
|---|---|---|---|---|---|
| Default | |
135.4 ns | 1.04 | 208 B | 3.71 |
| CachedOptions | |
145.9 ns | 1.12 | 208 B | 3.71 |
| NoCachedOptions | |
90,069.7 ns | 691.89 | 7718 B | 137.82 |
| Default | |
130.2 ns | 1.00 | 56 B | 1.00 |
| CachedOptions | |
129.8 ns | 0.99 | 56 B | 1.00 |
| NoCachedOptions | |
533.8 ns | 4.10 | 345 B | 6.16 |
基本类型
1. Guid 相等比较
有一项改进，肯定会导致现代应用程序的性能大增，那就是对Guid相等比较的新实现。
private Guid guid0 = Guid.Parse("18a2c952-2920-4750-844b-2007cb6fd42d");
private Guid guid1 = Guid.Parse("18a2c952-2920-4750-844b-2007cb6fd42d");
[Benchmark]
public bool GuidEquals() => guid0 == guid1;
| 方法 | 运行时 | 平均值 | 比率 |
|---|---|---|---|
| GuidEquals | |
1.808 ns | 1.49 |
| GuidEquals | |
1.213 ns | 1.00 |
可以感觉到，新的实现也使用了SIMD，比旧的实现快30%左右。
由于有大量的API使用Guid作为实体的标识符，这肯定会积极的产生影响。
2. BigInt 解析
一个很大的改进发生在将巨大的数字从字符串解析为BigInteger类型。就我个人而言，在一些区块链项目中，我曾使用过BigInteger类型，在那里有必要使用这种类型来表示ETH代币的精度。所以在性能方面，这对我来说会很方便。
private string bigIntString = string.Concat(Enumerable.Repeat("123456789", 100000));
[Benchmark]
public BigInteger ParseBigInt() => BigInteger.Parse(bigIntString);
| 方法 | 运行时 | 平均值 | 比率 | 分配 |
|---|---|---|---|---|
| ParseBigInt | |
2.058 s | 1.62 | 2.09 MB |
| ParseBigInt | |
1.268 s | 1.00 | 2.47 MB |
我们可以看到性能有了明显的提高，不过我们也看到它比.NET6上多分配一些内存。
3. Boolean 解析
对于解析boolean类型，我们也有显著的性能改进：
[Benchmark]
public bool ParseBool() => bool.TryParse("True", out _);
| 方法 | 运行时 | 平均值 | 比率 |
|---|---|---|---|
| ParseBool | |
8.164 ns | 5.21 |
| ParseBool | |
1.590 ns | 1.00 |
诊断
System.Diagnostics命名空间也进行了升级。进程处理有两个重大改进，Stopwatch有一个新功能。
1. GetProcessByName
[Benchmark]
public Process[] GetProcessByName()
=> Process.GetProcessesByName("dotnet.exe");
| 方法 | 运行时 | 平均值 | 比率 | 分配 | 分配比率 |
|---|---|---|---|---|---|
| GetProcessByName | |
2.065 ms | 1.04 | 529.89 KB | 247.31 |
| GetProcessByName | |
1.989 ms | 1.00 | 2.14 KB | 1.00 |
新的GetProcessByName()的速度并不明显，但使用的分配内存比前者少得多。
2. GetCurrentProcessName
[Benchmark]
public string GetCurrentProcessName()
=> Process.GetCurrentProcess().ProcessName;
| 方法 | 运行时 | 平均值 | 比率 | 分配 | 分配比率 |
|---|---|---|---|---|---|
| GetCurrentProcessName | |
1,955.67 μs | 103.02 | 3185 B | 6.98 |
| GetCurrentProcessName | |
18.98 μs | 1.00 | 456 B | 1.00 |
在这里，我们可以看到一个更有效的内存方法，对.NET 7的实现有极高的性能提升。
3. Stopwatch
Stopwatch被广泛用于测量运行时的性能。到目前为止，存在的问题是，使用Stopwatch需要分配堆内存。为了解决这个问题，dotnet社区实现了一个静态函数GetTimestamp()，它仍然需要一个复杂的逻辑来有效地获得时间差。现在又实现了另一个静态方法，名为GetElapsedTime()，在这里你可以传递之前的时间戳，并在不分配堆内存的情况下获得经过的时间。
[Benchmark(Baseline = true)]
public TimeSpan OldStopwatch()
{
Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
return sw.Elapsed;
}
[Benchmark]
public TimeSpan NewStopwatch()
{
long timestamp = Stopwatch.GetTimestamp();
return Stopwatch.GetElapsedTime(timestamp);
}
| Method | Mean | Ratio | Allocated | Alloc Ratio |
|---|---|---|---|---|
| OldStopwatch | 39.44 ns | 1.00 | 40 B | 1.00 |
| NewStopwatch | 37.13 ns | 0.94 | - | 0.00 |
这种方法的速度优化并不明显，然而节省堆内存分配可以说是值得的。
结尾
我希望，我可以在性能和基准测试的世界里给你一个有趣的切入点。如果你关于特定性能主题想法，请在评论中告诉我。
如果你喜欢这个系列的文章，请务必关注我，因为还有很多有趣的话题等着你。
谢谢你的阅读!
版权
原文版权：Tobias Streng
翻译版权：InCerry
原文链接：
https://medium.com/@tobias.streng/net-performance-series-1-performance-improvements-in-net-7-fb793f8f5f71
