.NET 关于 Frozen Collections

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正文

介绍

.NET 8 引入了 Frozen Collections，这是对已有不可变（Immutable）和只读（ReadOnly）集合的补充。那么，Frozen Collections 有什么独特之处呢？本文将探讨 Frozen Collections 的特点、优势以及适用场景。

Frozen Collections 简介

.NET 8 引入了两种新的抽象类型：FrozenSet<T> 和 FrozenDictionary<TKey, TValue>。这些类型不能直接实例化，但可以通过扩展方法来创建。

以下是如何创建 Frozen Collections 的示例：

Dictionary<int, string> dictionary = [];
dictionary.Add(1, "One");
dictionary.Add(2, "Two");

FrozenSet<int> frozenNumbers = numbers.ToFrozenSet();
FrozenDictionary<int, string> frozenDict = dictionary.ToFrozenDictionary();

一旦集合被冻结，你就不能修改其值。

Frozen Collections 的优势

Frozen Collections 的关键优势在于它们针对快速查找和枚举进行了优化。然而，创建 Frozen Collections 的成本相对较高。

因此，Frozen Collections 最适合于集合创建不频繁，但在运行时频繁使用的场景。

接下来，我们将通过性能测试来验证这一点。

在继续之前，我想指出 ReadOnly 集合与不可变和 Frozen 集合之间的一个重要区别。

观察以下代码：

FrozenSet<int> frozenNumbers = numbers.ToFrozenSet();
ImmutableList<int> immutableNumbers = numbers.ToImmutableList();
ReadOnlyCollection<int> readOnlyNumbers = numbers.AsReadOnly();

numbers.Add(6);

Console.WriteLine($"Frozen: {string.Join(", ", frozenNumbers)}");
Console.WriteLine($"Immutable: {string.Join(", ", immutableNumbers)}");
Console.WriteLine($"ReadOnly: {string.Join(", ", readOnlyNumbers)}");
// Frozen: 1, 2, 3, 4, 5
// Immutable: 1, 2, 3, 4, 5
// ReadOnly: 1, 2, 3, 4, 5, 6

ReadOnly 集合是现有集合的包装器。你不能修改包装器，但可以修改现有的集合。

性能测试：查找操作

接下来，我们来测试不同集合的查找性能。

我使用了著名的 BenchmarkDotNet 工具。

测试设置如下：

public int CollectionSize { get; set; }

private List<int> _list;
private ImmutableList<int> _immutableList;
private HashSet<int> _hashSet;
private FrozenSet<int> _frozenSet;

[GlobalSetup]
public void SetUp()
{
    _list = Enumerable.Range(0, CollectionSize).ToList();
    _immutableList = Enumerable.Range(0, CollectionSize).ToImmutableList();
    _hashSet = Enumerable.Range(0, CollectionSize).ToHashSet();
    _frozenSet = Enumerable.Range(0, CollectionSize).ToFrozenSet();
}

我添加了 HashSet 作为对比。测试的集合大小分别为 100、1000 和 10000 个元素。

测试代码如下：

public void LookupList()
{
    for (var i = 0; i < CollectionSize; i++)
        _ = _list.Contains(i);
}

[Benchmark]
public void LookupImmutableList()
{
    for (var i = 0; i < CollectionSize; i++)
        _ = _immutableList.Contains(i);
}

[Benchmark]
public void LookupHashSet()
{
    for (var i = 0; i < CollectionSize; i++)
        _ = _hashSet.Contains(i);
}

[Benchmark]
public void LookupFrozenSet()
{
    for (var i = 0; i < CollectionSize; i++)
        _ = _frozenSet.Contains(i);
}

测试结果表明，FrozenSet 的查找性能甚至优于 HashSet。

性能测试：创建操作

接下来，我们来测试 FrozenSet 的创建成本。

测试代码如下：

{
    private readonly int[] Numbers = Enumerable.Range(0, 1000).ToArray();

    [Benchmark(Baseline = true)]
    public List<int> ToList() => Numbers.ToList();

    [Benchmark]
    public FrozenSet<int> ToFrozenSet() => Numbers.ToFrozenSet();

    [Benchmark]
    public HashSet<int> ToHashSet() => Numbers.ToHashSet();
}

测试结果表明，FrozenSet 的创建成本较高。

总结

通过本文的介绍和性能测试，我们了解到 Frozen Collections 是不可变且只读的，针对快速查找和枚举进行了优化。它们最适合于集合创建不频繁，但在运行时频繁使用的场景，例如长期运行的服务。