.NET性能优化-快速遍历List集合

简介

System.Collections.Generic.List<T>是.NET中的泛型集合类，可以存储任何类型的数据，因为它的便利和丰富的API，在我们平时会广泛的使用到它，可以说是使用最多的集合类。

在代码编写中，我们经常需要遍历一个List<T>集合，获取里面的得元素进行一些业务的处理。通常情况下，集合内的元素不是很多，遍历起来非常快。但是对于一些大数据处理，统计，实时计算等动辄数万、十万数据的List<T>集合，如何快速的遍历它呢？这就是今天需要和大家分享的内容。

遍历方式

我们来看看不同遍历方式的性能表现，构建了如下一个性能基准测试，使用不同数量级的集合遍历来看看不同方式的性能表现。代码片段如下所示：

public class ListBenchmark
{
    private List<int> _list = default!;

    // 分别测试10、1千、1万、10万及100万数据时的表现
    [Params(10, 1000, 1_0000, 10_0000, 100_0000)]
    public int Size { get; set; }

    [GlobalSetup]
    public void Setup()
    {
        // 提前创建好数组
        _list = new List<int>(Size);
        for (var i = 0; i < Size; i++)
        {
            _list.Add(i);
        }
    }
}

使用foreach语句

foreach是我们遍历集合是最常用的方式了，它是一个语法糖实现了迭代器模式，它也是作为我们本次的基准。

[Benchmark(Baseline = true)]
public void Foreach()
{
    foreach (var item in _list)
    {
    }
}

因为foreach语句是一个语法糖，所以最终编译器会使用while循环调用GetEnumerator()和MoveNext()来实现功能。编译后的代码如下所示：



其中MoveNext()方法实现中会确保在迭代中不会有其它线程修改集合，如果发生了修改则会抛出InvalidOperationException异常，另外它会有溢出检查，检查当前索引是不是合法的，还需要将对应的元素赋值给enumerator.Current属性，所以其实它的性能并不是最好的，代码片段如下所示：



我们来看看它在不同集合大小的性能怎么样，结果如下所示：



可以看到在Size不同的情况下，耗时程线性增长关系，就算是没有任何处理逻辑的遍历100w的数据，则需要至少1s。

使用List的ForEach方法

另外一个比较常用的方式就是使用List<T>.ForEach()方法，这个方法允许你传入一个Action<T>委托，它会在遍历元素时调用Action<T>委托。

[Benchmark]
public void List_Foreach()
{
    _list.ForEach(_ => { });
}

它是List<T>内部实现的方法，所以能直接访问私有数组，另外能避免掉溢出检查；按照理论上来说它应该会很快速；但是在我们的场景中只有一个空方法，可能表现并不会有完全内联调用的foreach方法好。

下面是ForEach方法的源码，可以看到它没有了溢出检查，不过还保留了并发的版本号检查。



另外由于需要给ForEach方法传递委托，所以在调用代码中，每一次都会检查闭包生成类中的委托对象是否为空，如果不为空则new Action<T>()，如下所示：



我们来看看它与foreach关键字相比性能上有什么差别吧。下图是基准测试的结果：



从测试结果来看，要比直接使用foreach关键字慢40%，看来如非必要，直接使用foreach是比较好的选择，那么还有没有什么更快的方式呢？

for循环遍历

回到了我们最古老的方式，就是使用for关键字来遍历集合。它应该是目前来说性能最好的遍历方式，因为它不需要像之前的那几种方式一样有一些多余的代码（不过索引器同样有检查，防止溢出），另外很显然它不会检查版本号，所以在多线程环境下集合被改变，使用for不会有异常抛出。测试代码如下所示：

public void For()
{
    for (var i = 0; i < _list.Count; i++)
    {
        // 如果是空循环的话，会被编译器优化
        // 我们加一行代码使其不会被编译器优化
        _ = _list[i];
    }
}

来看看它的结果吧。



这看来就是我们所期待的方式了，直接使用for循环要比foreach快60%，原本需要1秒才能遍历完的集合，现在只需要400毫秒。那么还有没有更快的方式呢？

使用CollectionsMarshal

在.NET5以后，dotnet社区为了让集合操作性能更好，从而实现了CollectionsMarshal类；这个类里面实现了对于集合类型的原生数组的访问方式（如果你看过我的【.NET性能优化-你应该为集合类型设置初始大小】文章，就知道很多数据结构的底层实现都是数组）。所以它能跳过各种检测，直接访问原始的数组，应该是最快速的。代码如下所示：

// 为了测试编译器有没有针对foreach span优化
// 同时测试for span
public void Foreach_Span()
{
    foreach (var item in CollectionsMarshal.AsSpan(_list))
    {
    }
}  

public void For_Span()
{
    var span = CollectionsMarshal.AsSpan(_list);
    for (int i = 0; i < span.Length; i++)
    {
        _ = span[i];
    }
}

可以看到编译器生成的代码是非常高效的。

直接访问底层数组是非常危险的，你一定要清楚自己每一行代码在做什么，并且有足够的测试。

基准测试结果如下所示：



Wow，使用CollectionsMarshal比使用foreach要快79%，不过应该是JIT优化的原因，使用foreach和for关键字循环Span没有很大的差别。

总结

今天和大家聊了聊如何快速的遍历List集合，在大多数的情况下推荐大家使用foreach关键字，它既有溢出检查也有多线程下版本号的控制，可以让我们更容易的写出正确的代码。

如果在需要高性能和大数据量的场景，那么推荐直接使用for和CollectionsMarshal.AsSpan来遍历集合；当然，使用CollectionsMarshal.AsSpan一定要注意使用方式。

附录

本文源码链接：https://github.com/InCerryGit/BlogCodes/tree/main/Fast-Enumerate-List