性能是.Net Core一个非常关键的特性,今天我们重点研究一下ValueTuple<T>和Span<T>.

一、方法的多个返回值的实现,看ValueTuple<T>

日常开发中,假如我们一个方法有多个返回值,我们可能会用Out出参,或者使用一个自定义类/匿名类型,或者Tuple<T>. 

* Out出参可以使用,但是在编写Async方法时不支持。
* 自定义类/匿名类型,需要我们根据返回值的结构,自定义一个类型,带来性能开销,同时增加了编码工作量,同时需要考虑跨域序列化的问题。
* .Net Framework 4.0后引入了Tuple<T>元组,但是Item1,Item2,...不够友好,方法调用方需要了解分别代表的含义。
现在我们看看ValueTuple<T>的实现

C# 7支持返回多个值的语言特性,我们写两个示例代码Tuple<T>和ValueTuple<T>,对比一下:
1 /// <summary> 2 /// Tuple 3 /// </summary> 4 /// <returns></returns> 5
private Tuple<string, List<int>> GetValues() 6 { 7 return new Tuple<string,
List<int>>("C7", new List<int> { 1, 2, 3 }); 8 } 9 10 /// <summary> 11 ///
ValueTuple12 /// </summary> 13 /// <returns></returns> 14 private (string, List<
int>) GetValuesN() 15 { 16 return ("C7", new List<int> { 1, 2, 3 }); 17 }
Tuple的示例中,代码声明了一个Tuple元组,内存在托管堆上统一管理,GC垃圾回收在指定时机下回收。


ValueTuple示例中,编译器生成的代码使用的是ValueTuple,其本身就是一个struct,在栈上创建,这使我们既可以访问这个返回值数据,同时确保在包含的数据结构上不需要做垃圾回收。

我们通过IL Spy看下编译后的代码:



上图可以看到:

第一个方法GetValues,返回class [System.Runtime]System.Tuple`2<string, class
[System.Collections]System.Collections.Generic.List`1<int32>>,一个类的实例 

第二个方法GetValuesN,返回valuetype [System.Runtime]System.ValueTuple`2<string, class
[System.Collections]System.Collections.Generic.List`1<int32>>,一个值类型的实例。

类是在托管堆中分配的 (由 CLR 跟踪和管理,并受垃圾收集的管制,是可变的),而值类型分配在堆栈上 (速度快且较少的开销,是不可变的)。

System.ValueTuple 本身并没有被 CLR 跟踪,它只是作为我们使用的嵌入值的一个简单容器。

ValueTuple<T>作为C#7.0支持方法多返回值,的确在底层实现上考虑了性能表现(内存),同时编码上给我们带来了更愉快的语法特性!

二、从字符串操作看Span<T>

大多数.Net开发场景,只使用到了托管堆(由CLR统一管理),其实.Net 有三种类型的内存可以使用,不过要看具体的使用场景。

* 栈内存:我们通常分配的值类型的内存空间,比如 int, double, bool,……它非常快 (通常在 CPU 的缓存中使用),但大小有限
(通常小于 1 MB)。当然,有些开发人员会使用 stackalloc 关键字添加自定义对象,但要知道它们是有危险性的,因为在任何时间都可能发生
StackOverflowException,使我们的整个应用程序崩溃。
* 非托管内存:没有垃圾收集器的内存空间,必须自己使用像 Marshal.AllocHGlobal 和 Marshal.FreeHGlobal
之类的方法预订和释放内存。
* 托管内存 / 托管堆:通过GC垃圾收集器释放已经不再使用的内存空间,使我们大多数人都过着无忧无虑的程序员生活,很少有内存问题。

上述三种类型的内存,都有各自的优缺点,特点的使用场景。如果我们设计一个兼容支持上述三种类型的Lib,需要分别提供两种实现,一种是支持托管堆的,一种是支持栈和非托管内存的。比如说SubString。

我们先看第一种支持托管推的SubString实现:
1 string Substring(string source, int startIndex, int length) 2 { 3 var
result =new char[length]; 4 for (var i = 0; i < length; i++) 5 { 6
result[i] = source[startIndex + i]; 7 } 8 9 return new string(result); 10 }
上述方法内部声明了新的string对象和字符数组,这无疑带来了内存和CPU消息,实现的并不差,但是也不理想。

继续看第二种支持栈和非托管内存的,使用 char*(是的,一个指针!) 和字符串的长度,并返回类似的指向结果的指针。实现上就有点小复杂了。

此时,我们看.Net Core新引入的System.Memory命名空间下的Span<T>. 首先它是一个值类型
(因此没有被垃圾收集器跟踪),它试图统一对任何底层内存类型的访问。看一下它的内部结构:
// Constructor for internal use only.
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]internal Span(ref T ptr, int
length) { Debug.Assert(length>= 0); _pointer = new ByReference<T>(ref ptr);
_length= length; } public ref T this[Index index] { get { // Evaluate the
actual index first because it helps performance int actualIndex =
index.GetOffset(_length);return ref this [actualIndex]; } }
不管我们是使用字符串、char[] 甚至是未管理的 char* 来创建一个 Span<T>, Span<T>
对象都提供了相同的函数,比如返回索引中的元素。可以把它看作是 T[],其中 T 可以是任何类型的内存。

我们用Span<T>编写一个 Substring() 方法
Span<char> SubString(Span<char> source, int startIndex, int length) { return
source.Slice(startIndex, length); }
上述方法不返回源数据的副本,而是返回引用源的子集的 Span<T>,对比第一种SubString实现:没有重复数据,没有复制和复制数据的开销。

总结一下:

.NetCore中通过引入诸如 System.ValueTuple and Span<T> 之类的类型,使. net
开发人员更自然地使用在运行时可用的不同类型的内存,同时避免与它们相关的常见缺陷。这种统一带来了性能提升的同时,也简化了我们日常的编码。

 

周国庆

2019/3/24