C#性能優(yōu)化實(shí)踐

性能主要指兩個(gè)方面：內(nèi)存消耗和執(zhí)行速度。性能優(yōu)化簡(jiǎn)而言之，就是在不影響系統(tǒng)運(yùn)行正確性的前提下，使之運(yùn)行地更快，完成特定功能所需的時(shí)間更短。

本文以.NET平臺(tái)下的控件產(chǎn)品MultiRow為例，描述C#性能優(yōu)化的實(shí)踐。

性能優(yōu)化原則

·理解需求

MultiRow的一個(gè)性能需求是：“百萬行數(shù)據(jù)綁定下平滑滾動(dòng)。”整個(gè)MultiRow項(xiàng)目的開發(fā)過程一直在考慮這個(gè)目標(biāo)。

·理解瓶頸

99%的性能消耗是由于1%的代碼造成的。大部分性能優(yōu)化都是針對(duì)這1%的瓶頸代碼進(jìn)行的。具體實(shí)施也就分為兩步：“發(fā)現(xiàn)瓶頸”和“消除瓶頸”。

·切忌過度

性能優(yōu)化本身是有成本的。這個(gè)成本不單單體現(xiàn)在做性能優(yōu)化所付出的工作量，還包括為性能優(yōu)化而寫出復(fù)雜的代碼導(dǎo)致額外的維護(hù)成本，比如引入新的Bug，額外的內(nèi)存開銷等。性能優(yōu)化常常需要在收益和成本之間做出權(quán)衡。

如何發(fā)現(xiàn)性能瓶頸

性能優(yōu)化的第一步是發(fā)現(xiàn)性能瓶頸，下面是一些定位性能瓶頸的實(shí)踐。

·如何獲取內(nèi)存消耗

以下代碼可以獲取某個(gè)操作的內(nèi)存消耗。

long start = GC.GetTotalMemory(true);// 在這里寫需要被測(cè)試內(nèi)存消耗的代碼，例如，創(chuàng)建一個(gè)GcMultiRowvar gcMulitRow1 = new GcMultiRow();GC.Collect();// 確保所有內(nèi)存都被GC回收GC.WaitForFullGCComplete();long end = GC.GetTotalMemory(true);long useMemory = end - start; 

·如何獲取時(shí)間消耗

以下代碼可以獲取某個(gè)操作時(shí)間消耗。

System.Diagnostics.Stopwatch watch = new System.Diagnostics.Stopwatch();watch.Start();for (int i = 0; i < 1000; i++){    gcMultiRow1.Sort();}watch.Stop();var useTime = (double)watch.ElapsedMilliseconds / 1000;

為了獲得更加穩(wěn)定的時(shí)間消耗，這里把一個(gè)操作循環(huán)執(zhí)行了1000次，取時(shí)間消耗的平均值以排除不穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

·ANTS Performance PRofiler

ANTS Performance Profiler是款功能強(qiáng)大的性能檢測(cè)軟件。熟練使用這個(gè)工具，我們可以快速準(zhǔn)確的定位到有性能問題的代碼。這是一款收費(fèi)軟件，會(huì)在IL中加入一些鉤子用來記錄時(shí)間，所以在分析時(shí)，軟件的執(zhí)行速度會(huì)比實(shí)際運(yùn)行慢一些，獲得的數(shù)據(jù)也因此并不是百分之百的準(zhǔn)確，還要結(jié)合其他技巧來分析程序的性能。

·CodeReview

CodeReview是發(fā)現(xiàn)性能問題的最后手段。CodeReview應(yīng)該對(duì)產(chǎn)品的性能瓶頸盡可能多的關(guān)注，確保該部分邏輯執(zhí)行的盡可能的快。

性能優(yōu)化的方法和技巧

定位了性能問題后，解決的辦法有很多。下面是一些性能優(yōu)化的技巧和實(shí)踐。

·優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否可以達(dá)到性能需求。如果后期發(fā)現(xiàn)了性能問題，調(diào)整結(jié)構(gòu)會(huì)帶來非常大的開銷。

例如：

GcMultiRow要支持100萬行數(shù)據(jù)。假設(shè)每行有10列的話，就需要有1000萬個(gè)單元格，每個(gè)單元格上又有很多的屬性。如果不做任何優(yōu)化，大數(shù)據(jù)量時(shí)，一個(gè)GcMultiRow軟件的內(nèi)存開銷會(huì)相當(dāng)?shù)拇蟆cMultiRow采用的方案是使用哈希表來存儲(chǔ)行數(shù)據(jù)：只有用戶改過的行放到哈希表里，大部分沒有改過的行都直接使用模板代替。這就達(dá)到了節(jié)省內(nèi)存的目的。

WPF平臺(tái)和Silverlight平臺(tái)的畫法和Winform平臺(tái)不同，是通過組合Visual元素的方法實(shí)現(xiàn)的。SpreadGrid for WPF產(chǎn)品同樣支持百萬級(jí)的數(shù)據(jù)量，但是又不能給每個(gè)單元格都分配一個(gè)View。所以SpreadGrid使用了VirtualizingPanel來實(shí)現(xiàn)畫法。思路是每一個(gè)Visual是一個(gè)Cell的展示模塊，可以和Cell的數(shù)據(jù)模塊分離，這樣就只需要為顯示出來的Cell創(chuàng)建Visual。當(dāng)發(fā)生滾動(dòng)時(shí)會(huì)有一部分Cell滾出屏幕，有一部分Cell滾入屏幕。這時(shí)，讓滾出屏幕的Cell和Visual分離，然后再?gòu)?fù)用這部分Visual給新進(jìn)入屏幕的Cell。如此循環(huán)，就只需要幾百個(gè)Visual就可以支持很多的Cell。

·緩存

緩存（Cache）是性能優(yōu)化中最常用的手段，針對(duì)需要頻繁的獲取一些數(shù)據(jù)，同時(shí)每次獲取數(shù)據(jù)需要的時(shí)間比較長(zhǎng)的場(chǎng)景。如果使用了緩存的優(yōu)化方法，需要特別注意緩存數(shù)據(jù)的同步：如果真實(shí)的數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，應(yīng)該及時(shí)的清除緩存數(shù)據(jù)，確保不會(huì)因?yàn)榫彺娑褂昧隋e(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

使用緩存的情況比較多。最簡(jiǎn)單的情況就是緩存到一個(gè)Field或臨時(shí)變量里。

for（int i = 0; i < gcMultiRow.RowCount; i++）{ // Do something; } 

以上代碼一般情況下是沒有問題的，但是，如果GcMultiRow的行數(shù)比較大。而RowCount屬性的取值又比較慢的時(shí)候，就需要使用緩存來做性能優(yōu)化。

int rowCount = gcMultiRow.RowCount;for (int i = 0; i < rowCount; i++){// Do something;}

使用對(duì)象池也是一個(gè)常見的緩存方案，比使用Field或臨時(shí)變量稍微復(fù)雜一點(diǎn)。例如，在MultiRow中，畫邊線，畫背景，需要用到大量的Brush和Pen。這些GDI對(duì)象每次用之前要?jiǎng)?chuàng)建，用完后要銷毀。創(chuàng)建和銷毀的過程是比較慢的。GcMultiRow使用的方案是創(chuàng)建一個(gè)GDipool。本質(zhì)上是一些Dictionary，使用顏色做Key。所以只有第一次取的時(shí)候需要?jiǎng)?chuàng)建，以后就直接使用以前創(chuàng)建好的。

以下是GDIPool的代碼：

public static class GDIPool {     Dictionary<Color, Brush > _cacheBrush = new Dictionary<Color, Brush>();     Dictionary<Color, Pen> _cachePen = new Dictionary<Color, Pen>();     public static Pen GetPen(Color color)     {         Pen pen;         if_cachePen.TryGetValue(color, out pen))         {             return pen;         }         pen = new Pen(color);         _cachePen.Add(color, pen);         return pen;     } }

·懶構(gòu)造

大多時(shí)候，對(duì)于創(chuàng)建需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間的對(duì)象，往往并不是所有的場(chǎng)景下都需要使用。這時(shí)，使用懶構(gòu)造的方法可以有效提高程序啟動(dòng)性能。

舉例來說，對(duì)象A需要內(nèi)部創(chuàng)建對(duì)象B。對(duì)象B的構(gòu)造時(shí)間比較長(zhǎng)。 一般做法：

public class A{    public B _b = new B();}

一般做法下，由于構(gòu)造對(duì)象A的同時(shí)要構(gòu)造對(duì)象B，導(dǎo)致A的構(gòu)造速度也變慢了。

優(yōu)化做法：

public class A{    private B _b;    public B BProperty    {        get        {            if(_b == null)            {                _b = new B();            }            return _b;        }    }}

優(yōu)化后，構(gòu)造A的時(shí)候就不需要?jiǎng)?chuàng)建B對(duì)象，有效的提高了A的構(gòu)造性能。

·優(yōu)化算法

優(yōu)化算法可以有效的提高特定操作的性能。使用一種算法時(shí)應(yīng)該了解算法的適用情況、最好情況和最壞情況。 以GcMultiRow為例，最初MultiRow的排序算法使用了經(jīng)典的快速排序算法。這看起來是沒有問題的。但是，對(duì)于表格軟件，用戶經(jīng)常的操作是對(duì)有序表進(jìn)行排序，如順序和倒序之間切換。而經(jīng)典的快速排序算法的最差情況就是基本有序的情況。所以經(jīng)典快速排序算法不適合MultiRow。

改進(jìn)的快速排序算法使用了3個(gè)中點(diǎn)來代替經(jīng)典快排的一個(gè)中點(diǎn)的算法，每次交換都是從3個(gè)中點(diǎn)中選擇中間值。這樣，亂序和基本有序的情況都不是這個(gè)算法的最壞情況，從而優(yōu)化了性能。

·正確的使用既有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

我們現(xiàn)在工作的.NET framework平臺(tái)有很多現(xiàn)成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。我們應(yīng)該了解這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提升我們程序的性能。

例如：

1. String的加運(yùn)算符和StringBuilder： 字符串的操作是我們經(jīng)常遇到的基本操作之一。 我們經(jīng)常會(huì)寫這樣的代碼 string str = str1 + str2。當(dāng)操作的字符串很少的時(shí)候，這樣的操作沒有問題。但是如果大量操作的時(shí)候（例如文本文件的Save/Load， asp.net的Render），這樣做就會(huì)帶來嚴(yán)重的性能問題。這時(shí)，我們就應(yīng)該用StringBuilder來代替string的加操作。

2. Dictionary和List: Dictionary和List是最常用的兩種集合類。選擇正確的集合類可以很大的提升程序的性能。為了做出正確的選擇，我們應(yīng)該對(duì)Dictionary和List的各種操作的性能比較了解。 下表中粗略的列出了兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的性能比較。

3. TryGetValue: 對(duì)于Dictionary的取值，比較直接的方法是如下代碼：

if(_dic.ContainKey("Key"){    return _dic["Key"];}    

當(dāng)需要大量取值的時(shí)候，這樣的取法會(huì)帶來性能問題。優(yōu)化方法如下：

object value;if(_dic.TryGetValue("Key", out value)){return value;}

后一種用法要比前一種用法取值性能提高一倍。

4. 為Dictionary選擇合適的Key: Dictionary的取值性能很大情況下取決于做Key的對(duì)象的Equals和GetHashCode兩個(gè)方法的性能。如果可以的話，使用Int做Key性能最好。如果是一個(gè)自定義的Class做Key的話，最好保證以下兩點(diǎn)：1. 不同對(duì)象的GetHashCode重復(fù)率低。2. GetHashCode和Equals方法簡(jiǎn)單，效率高。

5. List的Sort和BinarySearch性能很好，如果能滿足功能需求，推薦直接使用。

List<int> list = new List<int>{3, 10, 15}; list.BinarySearch(10); // 對(duì)于存在的值，結(jié)果是1 list.BinarySearch(8); // 對(duì)于不存在的值，會(huì)使用負(fù)數(shù)表示位置， // 如查找8時(shí)，結(jié)果是-2， 查找0結(jié)果是-1，查找100結(jié)果是-4. 

·通過異步提升響應(yīng)時(shí)間

1.多線程

有些操作確實(shí)需要花費(fèi)比較長(zhǎng)的時(shí)間。在處理的過程中，如果用戶進(jìn)行操作時(shí)失去響應(yīng)，這個(gè)用戶體驗(yàn)是很差的。使用多線程技術(shù)可以解決這個(gè)問題。例如，有一個(gè)類似Excel的計(jì)算引擎，在構(gòu)造的時(shí)候要初始化所有的函數(shù)定義。由于函數(shù)比較多，初始化時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)。這是如果用到了多線程，在工作線程中做函數(shù)定義進(jìn)行的初始化，就不會(huì)影響到UI線程快速響應(yīng)用戶的其他操作了。

代碼如下:

public CalcParser(){ if (_functions == null)  {   lock (_obtainFunctionLocker)   {    if (_functions == null)    {      System.Threading.ThreadPool.QueueUserWorkItem((s) =>       {       if (_functions == null)        {          lock (_obtainFunctionLocker)          {            if (_functions == null)            {              _functions = EnsureFunctions();             }           }         }         });        }       }      }     } 

這里比較慢的操作就是EnsureFunctions函數(shù)，是在另一個(gè)線程里執(zhí)行的，不會(huì)影響主線程的響應(yīng)。當(dāng)然，使用多線程是一個(gè)比較有難度的方案，需要充分考慮跨線程訪問和死鎖的問題。

2.加延遲時(shí)間

在GcMultiRow實(shí)現(xiàn)AutoFilter功能的時(shí)候使用了一個(gè)類似于延遲執(zhí)行的方案來提升響應(yīng)速度。AutoFilter的功能是用戶在輸入的過程中根據(jù)用戶的輸入更新篩選的結(jié)果。數(shù)據(jù)量大的時(shí)候一次篩選需要較長(zhǎng)時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致用戶輸入不流暢，體驗(yàn)不好。使用多線程雖然是個(gè)好方案，但是會(huì)增加程序的復(fù)雜度。MultiRow的解決方案是當(dāng)接收到用戶的鍵盤輸入消息的時(shí)候，并不立即出發(fā)Filter，而是等待0.3秒。如果用戶連續(xù)輸入，會(huì)在這0.3秒內(nèi)再次收到鍵盤消息，放棄上一個(gè)任務(wù)，再等0.3秒，直到連續(xù)0.3秒內(nèi)沒有新的鍵盤消息時(shí)再觸發(fā)Filter。這樣就實(shí)現(xiàn)了比較流暢的用戶體驗(yàn)。

3. application.Idle事件

在GcMultiRow的Designer里，經(jīng)常要根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)刷新ToolBar上按鈕的Disable/Enable狀態(tài)，一次刷新需要較長(zhǎng)的時(shí)間。這個(gè)又一次影響了用戶輸入的流暢性。GcMultiRow的優(yōu)化方案是通過系統(tǒng)的Application.Idle事件，僅當(dāng)系統(tǒng)空閑的時(shí)候處理刷新邏輯。接到這個(gè)事件時(shí)，一般都是用戶已經(jīng)完成了連續(xù)的輸入，這時(shí)就可以從容的刷新按鈕的狀態(tài)了。

4. Refresh, BeginInvoke

平臺(tái)本身也提供了一些異步方案。例如在WinForm下觸發(fā)一塊區(qū)域重畫的時(shí)候，調(diào)用Refresh方法不會(huì)導(dǎo)致立即重畫，而是設(shè)置Invalidate標(biāo)記，觸發(fā)異步的刷新。在控件開發(fā)中，這個(gè)技巧可以有效的提高產(chǎn)品的性能，同時(shí)簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

Control.BeginInvoke方法可以被用來觸發(fā)異步的自定義行為。

·進(jìn)度條，提升用戶體驗(yàn)

有時(shí)候，以上提到的方案都沒有辦法快速響應(yīng)用戶操作。進(jìn)度條、一直轉(zhuǎn)圈圈的圖片、提示性文字（如"你的操作可能需要較長(zhǎng)時(shí)間，請(qǐng)耐心等待"）等，都可以有效的提升用戶體驗(yàn)，可以作為最后方案來考慮。

轉(zhuǎn)自InfoQ：http://www.infoq.com/cn/articles/C-sharp-performance-optimization