前言
本系列的主要目的是告诉大家在遇到性能问题时，有哪些方案可以去优化；并不是要求大家一开始就使用这些方案来提升性能。
在之前几篇文章中，有很多网友就有一些非此即彼的观念，在实际中，处处都是开发效率和性能之间取舍的艺术。《计算机编程艺术》一书中提到过早优化是万恶之源，在进行性能优化时，你必须要问自己几个问题，看需不要进行性能优化。
优化的成本高么？
如果立刻开始优化会带来什么影响？
因为对任务目标的影响或是兴趣等其他原因而关注这个问题？
任务目标影响有多大？
随着硬件性能提升或者框架版本升级，优化的结果会不会过时？
如果不进行优化或延迟优化的进行会带来什么负面的影响？
如果不进行优化或延迟优化，相应的时间或成本可以完成什么事情，是否更有价值？
如果评估下来，还是优化的利大于弊，而且在合理的时间范围内，那么就去做；如果觉得当前应用的QPS不高、用户体验也还好、内存和CPU都有空余，那么就放一放，主要放在二八法则中能为你创建80%价值的事情上。但是大家要记住过早优化是万恶之源不是写垃圾代码的借口。
回到正题，在上篇文章《使用结构体替代类》中有写在缓存和大数据量计算时使用结构体有诸多的好处，最后关于计算性能的例子中，我使用的是简单的for循环语句，但是在C#中我们使用LINQ多于使用for循环。有小伙伴就问了两个问题：
平时使用的LINQ对于结构体是值传递还是引用传递？
如果是值传递，那么有没有办法改为引用传递？达到更好性能？
针对这两个问题特意写一篇回答一下，字数不多，几分钟就能阅读完。
Linq是值传递
在.NET平台上，默认对于值类型的方法传参都是值传递，除非在方法参数上指定ref，才能变为引用传递。
同样，在LINQ实现的Where、Select、Take众多方法中，也没有加入ref关键字，所以在LINQ中全部都是值传递，如果结构体Size大于8byte（当前平台的指针大小），那么在调用方法时，结构体的速度要慢于引用传递的类。
比如我们编写如下代码，使用常见的Linq API进行数据的结构化查询，分别使用结构体和类，看看效果，数组数据量为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的结果如下，大家看到在速度上有5倍的差距，结构体由于频繁装箱内存分配的也更多。
那么注定没办开开心心的在结构体上用LINQ了吗？那当然不是，引入我们今天要给大家介绍的项目。
使用StructLinq
首先来介绍一下StructLinq，在C#中用结构体实现LINQ，以大幅减少内存分配并提高性能。引入IRefStructEnumerable，以提高元素为胖结构体(胖结构体是指结构体大小大于16Byte)时的性能。
引入StructLinq
这个库已经分发在 NuGet上。可以直接通过下面的命令安装 StructLinq :
PM> Install-Package StructLinq
简单使用
下方就是一个简单的使用，用来求元素和。唯一不同的地方就是需要调用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用于避免装箱（和分配内存），并帮助泛型参数推断。你也可以通过对Where和Select函数使用结构来提高性能。
性能
所有的跑分结果你可以在这里找到. 举一个例子，下方代码的Linq查询:
list
.Where(x => (x & 1) == 0)
.Select(x => x * 2)
.Sum();
可以被替换为下面的代码:
list
.ToStructEnumerable()
.Where(x => (x & 1) == 0)
.Select(x => x * 2)
.Sum();
或者你想零分配内存，可以像下面一样写（类型推断出来，没有装箱）:
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，可以像下面一样写：
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);
上方各个代码的Benchmark结果如下所示:
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 RyuJIT
DefaultJob : .NET Core 5.0.1 (CoreCLR 5.0.120.57516, CoreFX 5.0.120.57516), X64 RyuJIT
| Method | Mean | Error | StdDev | Ratio | Gen 0 | Gen 1 | Gen 2 | Allocated |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LINQ | 65.116 μs | 0.6153 μs | 0.5756 μs | 1.00 | - | - | - | 152 B |
| StructLinqWithDelegate | 26.146 μs | 0.2402 μs | 0.2247 μs | 0.40 | - | - | - | 96 B |
| StructLinqWithDelegateZeroAlloc | 27.854 μs | 0.0938 μs | 0.0783 μs | 0.43 | - | - | - | - |
| StructLinqZeroAlloc | 6.872 μs | 0.0155 μs | 0.0137 μs | 0.11 | - | - | - | - |
StructLinq在这些场景里比默认的LINQ实现快很多。
在上文场景中使用
我们也把上面的示例代码使用StructLinq改写一下。
// 引用类型使用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);
}
// 结构体类型使用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);
}
// 结构体类型 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);
}
// 结构体类型 StructLinq 引用传递
[Benchmark]
public double StructLinqRef()
{
return StructArray
.ToRefStructEnumerable() // 这里使用的是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);
}
// 结构体类型 StructLinq 引用传递 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);
}
// 结构体 直接for循环
[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结果如下所示。
从以上Benchmark结果可以得出以下结论：
类和结构体都可以使用StructLinq来减少内存分配。
类和结构体使用StructLinq都会导致代码跑的更慢。
结构体类型使用StructLinq的引用传递模式可以获得5倍的性能提升，比引用类型更快。
无论是LINQ还是StructLinq由于本身的复杂性，性能都没有For循环来得快。
总结
在已经用上结构体的高性能场景，其实不建议使用LINQ了，因为LINQ本身它性能就存在瓶颈，它主要就是为了提升开发效率。建议直接使用普通循环。
如果一定要使用，那么建议大于8byte的结构体使用StructLinq的引用传递模式(ToRefStructEnumerable)，这样可以把普通LINQ结构体的性能提升5倍以上，也能几乎不分配额外的空间。
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