C#|.net core 基础 - byte数组如何高效转换为16进制字符串

在 .NET Core 中，如何把 byte[] 转换为 16 进制字符串？你能想到哪些方法？什么方式性能最好？今天和大家分享几种转换方式。

往往在处理字符串性能问题时，首先应该想到的是怎么想办法减少内存分配，怎么优化字符串构建。

下面就通过递进的方式介绍几种实现方式。

1. 使用 StringBuilder

在需要做大量字符串拼接的场景中，我们首先就会想到StringBuilder，相比string类型来说StringBuilder更高效。在这个例子中，它通过一次性分配足够的内存，然后配合字节格式化方法AppendFormat进行转换，并逐个追加每个字节的 16 进制表示，以此减少内存分配的开销。

using System;
using System.Text;
public class BytesToHexString
{
    public static string ToHexStringStringBuilder(byte[] bytes)
    {
      StringBuilder hex = new StringBuilder(bytes.Length * 2);
      foreach (byte b in bytes)
      {
          hex.AppendFormat("{0:x2}", b);
      }
      return hex.ToString();
    }
}

下面我们使用Benchmark对ToHexStringStringBuilder方法进行些基准测试，分别对字节数组长度为100、1000、10000个元素分别进行10000次测试，然后进行横向对比。

 

可以发现这个方法随着数组长度增加整体性能是在下降的。

2. 使用 BitConverter

BitConverter 是 .NET 中的内置类，它提供了一种简单的方式来转换基础数据类型为字符串。代码非常简洁，但是其本身只能输出固定格式如“0A-BC-99”，有连接符“-”并且字母都是大写，因此只适合简单需求，如果有复杂要求还行额外单独处理。

using System;
public class BytesToHexString
{
    public static string ToHexStringBitConverter (byte[] bytes)
    {
        return BitConverter.ToString(bytes);
    }
}

下面我们再次使用Benchmark对ToHexStringBitConverter方法进行些基准测试，分别对字节数组长度为100、1000、10000个元素各进行10000次测试，进行横向对比。

 

和StringBuilder方式对比，性能得到大幅度提升。

3. 使用 Convert（.NET5+）

Convert是 .NET 中的内置类，Convert.ToHexString是在 .NET 5 中引入的方法，用于将字节数组直接转换为十六进制字符串，改方法设计之初就考虑了性能，它在实现上减少了额外的内存分配和操作，因此它比 BitConverter.ToString 更高效。但是其本身只能输出固定格式如“0ABC99”，没有连接符“-”并且字母都是大写。

using System;
public class BytesToHexString
{
    public static string ToHexStringConvert (byte[] bytes)
    {
        return Convert.ToHexString (bytes);
    }
}

下面我们再次使用Benchmark对ToHexStringConvert方法进行些基准测试，分别对字节数组长度为100、1000、10000个元素各进行10000次测试，然后进行横向对比。

和BitConverter方式对比，性能也是大幅度提升。

4. 使用位运算

在将 byte[] 转换为 16 进制字符串时，每个字节会被转化为两个字符。因此，我们需要一个长度为 bytes.Length * 2 的字符数组来存储最终的 16 进制字符串。同时定义字符串hex = "0123456789abcdef";这个字符串中包含了所有可能的 16 进制字符，接下来遍历循环把每个字节通过位运算分解为2个 4 位的部分（高 4 位和低 4 位），然后通过字符串hex将高4位转为16进制第一个字符，低4位转为第二个字符。以下是一个示例实现：

using System;
public class BytesToHexString
{
    public static string ToHexStringBitOperation (byte[] bytes)
    {
        char[] hexChars = new char[bytes.Length * 2];
        const string hex = "0123456789abcdef";
        for (int i = 0; i < bytes.Length; i++)
        {
            hexChars[i * 2] = hex[bytes[i] >> 4];
            hexChars[i * 2 + 1] = hex[bytes[i] & 0x0F];
        }
        return new string(hexChars);
    }
}

下面我们再次使用Benchmark对ToHexStringBitOperation方法进行些基准测试，分别对字节数组长度为100、1000、10000个元素各进行10000次测试，然后进行横向对比。

 

虽然和BitConverter相比，性能提升3倍多，但是和Convert方式相比却有所差距。

如果对位运算不是很明白的，可以留言，后面可以单独出一篇文章讲解一下。

5. 使用 unsafe 代码块（高级）

如果你需要极致的性能，并且可以接受 unsafe 代码，你可以使用指针来操作字节数组。这种方法可以极大地提高性能，但需要注意内存安全问题。

using System;
public class BytesToHexString
{
    public static unsafe string ToHexStringUnsafe(byte[] bytes)
    {
        const string hex = "0123456789ABCDEF";
        var hexChars = new char[bytes.Length * 2];
        fixed (byte* bytePtr = bytes)
        {
            fixed (char* charPtr = hexChars)
            {
                byte* source = bytePtr;
                char* dest = charPtr;
                for (int i = 0; i < bytes.Length; i++)
                {
                    byte b = source[i];
                    dest[i * 2] = hex[b >> 4];
                    dest[i * 2 + 1] = hex[b & 0x0F];
                }
            }
        }
        return new string(hexChars);
    }
} 

下面我们再次使用Benchmark对ToHexStringBitConverter方法进行些基准测试，分别对字节数组长度为100、1000、10000个元素各进行10000次测试，然后进行横向对比。

 

和位运算方式相比，并没有像前面的大幅提升，相差无几。

下面看看5种方法，整体对比情况：

 

通过上面一系列测试，我们可以得到如下总结：

灵活性：StringBuilder、位操作、unsafe 代码块 > BitConverter、Convert

性能：Convert > unsafe 代码块 > 位操作 > BitConverter > StringBuilder

如果只是要把字节数组转化为字符串没有什么要求，那么直接选择官方自带方法Convert.ToHexString；如果对于输出格式有要求，则可以用位操作的方式自己实现个性化需求；当在极端特殊情况下可以考虑unsafe 代码块方式。