浅谈C# StringBuilder内存碎片对性能的影响
StringBuilder内部是由多段char[]组成的半自动链表,因此频繁从中间修改StringBuilder,会将原本连续的内存分隔为多段,从而影响读取/遍历性能。
连续内存与不连续内存的性能差,可能高达1600倍。
背景
用StringBuilder的用户可能大都想用StringBuilder拼接html/json模板、组装动态SQL等正常操作。但在一些特殊场景中——如为某种编程语言写语言服务,或者写一个富文本编辑器时,StringBuilder依然也有用武之地,通过里面的Insert/Remove两个方法来修改。
测试方法
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; }
关于这段代码,请注意以下几点:
- 通过.PadRight(n)来直接创建长度为n的空白字符串,可以用new string(' ', n)来代替;
- new Random(42)处,我指定了一个随机因子,确保每次分隔后分隔的位置完全相同,有利于做对照组;
- 我分别对字符串进行了2^1 ~ 2^16次修改,分别比较经过这么多次修改之后的性能差异;
- 我使用sb[i]来逐一访问StringBuilder中的位置,使内存不连续性更加突显。
运行结果
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 |
可见如果在StringBuilder中间进行大量修改,其性能会急据下降,注意看32768次修改的情况下,遍历时会产生高达1630.4倍的性能差!
解决方式
如果一定要用StringBuilder,可以考虑在修改一定次数后,重新创建一个新的StringBuilder,以使得访问时获得最佳的内存连续性,即可解决此问题:
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); // 重点 const int defragmentCount = 250; if (i % defragmentCount == defragmentCount - 1) { string buf = sb.ToString(); sb.Clear(); sb.Append(buf); } } }
如上,每经过250次修改,即将原StringBuilder删除,然后重新创建一个新的StringBuilder,此时运行效果如下:
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 |
可见,在几乎所有情况下,受内存不连续造成的访问性能问题,解决——同时250可能是一个相对比较合理的数字,在插入性能与查询/遍历性能中,获得平衡。
反思与总结
众所周知,由于string的不可变性,拼接大量字符串时,会浪费大量内存。但使用StringBuilder也需要了解它的结构。
StringBuilder这样做成链式的结构并非没有原因,如果考虑插入性能,做成链式接口是最优秀的。但如果考虑查询性能,链式结构就非常不利了,如果设计为非链式结构,从中间插入时,StringBuilder的内存空间可能不够,因此需要重新分配内存,这样相当于将StringBuilder降格为string,因此完全丧失了StringBuilder适合做“频繁插入”的优势。
本文说的其实是一个非常特殊的例子,现实中除了语言服务、编辑器外,很少会需要这种即要频繁插入快,也要频繁修改快的场景。如果想简单点搞,用StringBuilder会是一个有条件合适的解决方案。更适合的解决方案当然是专门的数据结构——PieceTable,微软在VSCode编辑器中,为了确保大文件编辑性能,使用了该数据结构,取得了非常不错的成果,参考链接:Text Buffer Reimplementation。
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