普通人如果说什么事情慢,指的是 5 分钟,10 分钟,或者 1 个小时、2 个小时。而程序员要说什么事情慢,他们指的是 2 纳秒。

每个纳秒对程序员来说都是非常宝贵的,所以,要对代码进行优化,优化,再优化,每个纳秒都不要浪费。

在 C# 程序中,完成一件任务通常都有若干种方法,但这些方法之间是存在一些差异的,特别是性能上的差异。本文尝试着举几个例子来说明这种差异。

1. 装箱还是不装箱(to box or not to box)

一般来说,值类型的数据都是在栈上操作的,而引用类型的数据都是在堆上的,而当值类型需要作为引用类型操作时,都要先对值类型数据进行装箱,使其变为引用类型。但装箱操作是一个成本很高的操作,要尽量避免使用。如对于如下代码:

static string GetArrayInfo(Array a)
{
string s = $"An array with {a.Length} elements.";
return s;
}

其中,a.Length 是一个整型的值类型变量,与字符串混合在一起时,需要进行装箱操作。可改为如下代码以避免装箱操作:

static string GetArrayInfo(Array a)
{
string s = "An array with " + a.Length.ToString() + " elements.";
return s;
}

2. 构造字符串(building strings) 

构造字符串,可以使用 StringBuilder,也可以直接用 + 操作符(编译为对 Concat() 方法的调用)连接字符串。一般来说,使用 StringBuilder 是一种高性能的字符串构造方案,但也不尽然,尤其是 StringBuilder 的 AppendFormat() 方法,成本很高,应尽量避免使用。举例如下。

static string Greeting(string name)
{
StringBuilder sb = new();
_ = sb.AppendFormat("Hello, {0}", name ?? "null");
return sb.ToString();
}

下面的代码使用 Append() 方法构造字符串:

static string Greeting(string name)
{
StringBuilder sb = new();
_ = sb.Append("Hello, ");
_ = sb.Append(name ?? "null");
return sb.ToString();
}

最后,我们用 + 操作符(Concat() 方法)构造同样的字符串:

static string Greeting(string name)
{
return "Hello, " + name ?? "null";
}

经过实测,+ 操作符方法(Concat() 方法)性能最好,StringBuilder 的 Append() 次之,AppendFormat() 最差。

3. 类型转换(type conversion)

如将一个数字字符串转换为整型数,一般有三种方法实现转换:

// 方法1:
_ = int.TryParse("123", out int n); // 方法2:
int n = int.Parse("123"); // 方法3:
int n = Convert.ToInt32("123");

这三种方法都可以。从安全性上讲,int.TryParse() 最安全,从性能上说,则 Convert.ToInt32() 最好(但也相差不大)。如果能确定输入字符串的合法性,则尽量使用 Convert.ToInt32() 方法,反之,则使用 int.TryParse() 以避免抛出异常。

以上三个实例的实测数据如下图所示,这是经过 100 次循环,每次循环执行 1000000 次调用,经过平均后得出的结果。

提高程序的运行性能,除了选用高性能的硬件(高性能CPU、内存、硬盘等)之外,在软件上也要下功夫进行优化。优化涉及的方面很多,代码优化是其中很重要的环节。本文从“黑盒”角度举了几个例子并进行实际测试,以揭示不同方法的实现性能。

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