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簡介

性能優(yōu)化就是如何在保證處理相同數(shù)量的請求情況下占用更少的資源，而這個資源一般就是CPU或者內(nèi)存，當(dāng)然還有操作系統(tǒng)IO句柄、網(wǎng)絡(luò)流量、磁盤占用等等。但是絕大多數(shù)時候，我們就是在降低CPU和內(nèi)存的占用率。
之前分享的內(nèi)容都有一些局限性，很難直接改造，今天要和大家分享一個簡單的方法，只需要替換幾個集合類型，就可以達到提升性能和降低內(nèi)存占用的效果。
今天要給大家分享一個類庫，這個類庫叫Collections.Pooled，從名字就可以看出來，它是通過池化內(nèi)存來達到降低內(nèi)存占用和GC的目的，后面我們會直接來看看它的性能到底怎么樣，另外也會帶大家看看源碼，為什么它會帶來這些性能提升。

Collections.Pooled

項目鏈接：https://github.com/jtmueller/Collections.Pooled
該庫基于System.Collections.Generic中的類，這些類已經(jīng)被修改，以利用新的System.Span和System.Buffers.ArrayPool類庫，達到減少內(nèi)存分配，提高性能，并允許與現(xiàn)代API的更大的互操作性的目的。
Collections.Pooled支持.NETStandard2.0（.NET Framework 4.6.1+），以及針對.NET Core 2.1+的優(yōu)化構(gòu)建。一套廣泛的單元測試和基準(zhǔn)已經(jīng)從corefx移植過來。

測試總數(shù)：27501。通過：27501。失敗：0。跳過：0。
測試運行成功。
測試執(zhí)行時間：9.9019秒

如何使用

通過Nuget就可以很簡單的安裝這個類庫，NuGet Version 。

Install-Package Collections.Pooled
dotnet add package Collections.Pooled
paket add Collections.Pooled

在Collections.Pooled類庫中，它針對我們常使用的集合類型都實現(xiàn)了池化的版本，和.NET原生類型的對比如下所示。

.NET原生	Collections.Pooled	備注
`List`	`PooledList`	泛型集合類
`Dictionary`	`PooledDictionary`	泛型字典類
`HashSet`	`PooledSet`	泛型哈希集合類
`Stack`	`Stack`	泛型棧
`Queue`	`PooledQueue`	泛型隊列

在使用時，我們只需要將對應(yīng)的.NET原生版本換成Collections.Pooled版本就可以了，如下方的代碼所示：

using Collections.Pooled;

// 使用方式是一樣的
var list = new List<int>();
var pooledList = new PooledList<int>();

var dictionary = new Dictionary<int,int>();
var pooledDictionary = new PooledDictionary<int,int>();

// 包括PooledSet、PooledQueue、PooledStack的使用方法都是一樣的

var pooledList1 = Enumerable.Range(0,100).ToPooledList();
var pooledDictionary1 = Enumerable.Range(0,100).ToPooledDictionary(i => i, i => i);

但是我們需要注意，Pooled類型實現(xiàn)了IDispose接口，它通過Dispose()方法將使用的內(nèi)存歸還到池中，所以我們需要在使用完Pooled集合對象以后調(diào)用它的Dispose()方法。或者可以直接使用using var關(guān)鍵字。

using Collections.Pooled;

// 使用using var 會在pooled對象使用完畢后自動釋放
using var pooledList = new PooledList<int>();
Console.WriteLine(pooledList.Count);

// 使用using作用域 作用域結(jié)束以后就會釋放
using (var pooledDictionary = new PooledDictionary<int, int>())
{
	Console.WriteLine(pooledDictionary.Count);
}

// 手動調(diào)用Dispose方法
var pooledStack = new PooledStack<int>();
Console.WriteLine(pooledStack.Count);
pooledList.Dispose();

注意：使用Collections.Pooled內(nèi)的集合對象最好需要釋放掉它，不過不釋放也沒有關(guān)系，GC最終會回收它，只是它不能歸還到池中，達不到節(jié)省內(nèi)存的效果了。
由于它會復(fù)用內(nèi)存空間，在將內(nèi)存空間返回到池中的時候，需要對集合內(nèi)的元素做處理，它提供了一個叫ClearMode的枚舉供使用，定義如下：

namespace Collections.Pooled
{
    /// 
    /// 這個枚舉允許控制在內(nèi)部數(shù)組返回到ArrayPool時如何處理數(shù)據(jù)。
    /// 數(shù)組返回到ArrayPool時如何處理數(shù)據(jù)。在使用默認選項之外的其他選項之前，請注意了解 
    /// 在使用默認值A(chǔ)uto之外的任何其他選項之前，請仔細了解每個選項的作用。
    /// 
    public enum ClearMode
    {
        /// 
        /// Auto根據(jù)目標(biāo)框架有不同的行為
        /// .NET Core 2.1: 引用類型和包含引用類型的值類型在內(nèi)部數(shù)組返回池時被清除。不包含引用類型的值類型在返回池時不會被清除。
        /// .NET Standard 2.0: 在返回池之前清除所有用戶類型，以防它們包含引用類型。對于 .NET Standard，Auto 和 Always 具有相同的行為。
        /// 
        Auto = 0,
        
        /// 
        /// The Always 設(shè)置的效果是在返回池之前總是清除用戶類型。
        /// 
        Always = 1,
        
        /// 
        /// Never 將導(dǎo)致池化集合在將它們返回池之前永遠不會清除用戶類型。
        /// 
        Never = 2
    }
}

默認情況下，使用默認值A(chǔ)uto即可，如果有特殊的性能要求，知曉風(fēng)險后可以使用Never。
對于引用類型和包含引用類型的值類型，我們必須在將內(nèi)存空間歸還到池的時候清空數(shù)組引用，如果不清除會導(dǎo)致GC無法釋放這部分內(nèi)存空間（因為元素的引用一直被池持有），如果是純值類型，那么就可以不清空，在使用結(jié)構(gòu)體替代類這篇文章中，我描述了引用類型和結(jié)構(gòu)體(值類型)數(shù)組的存儲區(qū)別，純值類型沒有對象頭回收也無需GC介入。

性能對比

我沒有單獨做Benchmark，直接使用的開源項目的跑分結(jié)果，很多項目的內(nèi)存占用都是0，那是因為使用的池化的內(nèi)存，沒有多余的分配。

`PooledList`

在Benchmark中循環(huán)向集合添加2048個元素，.NET原生的List需要110us(根據(jù)實際跑分結(jié)果，圖中的毫秒應(yīng)該是筆誤)和263KB內(nèi)存，而PooledList只需要36us和0KB內(nèi)存。

`PooledDictionary`

在Benchmark中循環(huán)向字典添加10_0000個元素，.NET原生的Dictionary需要11ms和13MB內(nèi)存，而PooledDictionary只需要7ms和0MB內(nèi)存。

`PooledSet`

在Benchmark中循環(huán)向哈希集合添加10_0000個元素，.NET原生的HashSet需要5348ms和2MB，而PooledSet只需要4723ms和0MB內(nèi)存。

`PooledStack`

在Benchmark中循環(huán)向棧添加10_0000個元素，.NET原生的PooledStack需要1079ms和2MB，而PooledStack只需要633ms和0MB內(nèi)存。

`PooledQueue`

在Benchmark中循環(huán)向隊列添加10_0000個元素，.NET原生的PooledQueue需要681ms和1MB，而PooledQueue只需要408ms和0MB內(nèi)存。

未手動釋放場景

另外在上文中我們提到了Pooled的集合類型需要釋放，但是不釋放也沒有太大的關(guān)系，因為GC會去回收。

private static readonly string[] List = Enumerable  
    .Range(0, 10000).Select(c => c.ToString()).ToArray();  
// 使用默認的集合類型  
[Benchmark(Baseline = true)]  
public int UseList()  
{  
    var list = new List<string>(1024);  
    for (var index = 0; index < List.Length; index++)  
    {  
        var item = List[index];  
        list.Add(item);  
    }  
    return list.Count;  
}  
// 使用PooledList 并且及時釋放  
[Benchmark]  
public int UsePooled()  
{  
    using var list = new PooledList<string>(1024);  
    for (var index = 0; index < List.Length; index++)  
    {  
        var item = List[index];  
        list.Add(item);  
    }  
    return list.Count;  
}  
// 使用PooledList 不釋放  
[Benchmark]  
public int UsePooledWithOutUsing()  
{  
    var list = new PooledList<string>(1024);  
    for (var index = 0; index < List.Length; index++)  
    {  
        var item = List[index];  
        list.Add(item);  
    }  
    return list.Count;  
}

Benchmark結(jié)果如下：

可以從上面的Benchmark結(jié)果可以得出結(jié)論。

及時釋放Pooled類型集合幾乎不會觸發(fā)GC和分配內(nèi)存，從上圖中它只分配了56Byte內(nèi)存。
就算不釋放Pooled類型集合，因為它從池中分配內(nèi)存，在進行ReSize擴容操作時還是會復(fù)用內(nèi)存，另外跳過了GC分配內(nèi)存初始化步驟，速度也比較快。
最慢的就是使用普通集合類型，每次ReSize擴容操作都需要申請新的內(nèi)存空間，GC也要回收之前的內(nèi)存空間。

原理解析

如果大家看過我之前的博文你應(yīng)該為集合類型設(shè)置初始大小和淺析C# Dictionary實現(xiàn)原理就可以知道，.NET BCL開發(fā)人員為了高性能的隨機訪問，這些基本集合類型的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是數(shù)組，我們以List為例。

創(chuàng)建新的數(shù)組來存儲添加進來的元素。
如果數(shù)組空間不夠，那么就觸發(fā)擴容操作，申請2倍的空間大小。
構(gòu)造函數(shù)代碼如下，可以看到是直接創(chuàng)建的泛型數(shù)組：

public List(int capacity)
{
      if (capacity < 0)
          ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.capacity, ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_NeedNonNegNum);

      if (capacity == 0)
          _items = s_emptyArray;
      else
          _items = new T[capacity];
}

那么如果想要池化內(nèi)存，只需要把類庫中使用new關(guān)鍵字申請的地方，改為使用池化的申請。這里和大家分享.NET BCL中的一個類型，叫ArrayPool，它提供了可重復(fù)使用的泛型實例的數(shù)組資源池，使用它可以降低對GC的壓力，在頻繁創(chuàng)建和銷毀數(shù)組的情況下提升性能。
而我們Pooled類型的底層就是使用ArrayPool來共享資源池，從它的構(gòu)造函數(shù)中，我們可以看到它默認使用的是ArrayPool.Shared來分配數(shù)組對象，當(dāng)然你也可以創(chuàng)建自己的ArrayPool來讓它使用。

// 默認使用ArrayPool.Shared池
public PooledList(int capacity, ClearMode clearMode, bool sizeToCapacity) : this(capacity, clearMode, ArrayPool.Shared, sizeToCapacity) { }  

// 分配數(shù)組使用 ArrayPool
public PooledList(int capacity, ClearMode clearMode, ArrayPool customPool, bool sizeToCapacity)
{
    if (capacity < 0)
        ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.capacity, ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_NeedNonNegNum);
    _pool = customPool ?? ArrayPool.Shared;
    _clearOnFree = ShouldClear(clearMode);
    if (capacity == 0)
    {
        _items = s_emptyArray;
    }
    else
    {
        _items = _pool.Rent(capacity);
    }
    
    if (sizeToCapacity)
    {
        _size = capacity;
        if (clearMode != ClearMode.Never)
        {
            Array.Clear(_items, 0, _size);
        }
    }
 }

另外在進行容量調(diào)整操作（擴容）時，會將舊的數(shù)組歸還回線程池，新的數(shù)組也在池中獲取。

 public int Capacity
{
    get => _items.Length;
    set
    {
        if (value < _size)
        {
            ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.value, ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_SmallCapacity);
        }

        if (value != _items.Length)
        {
            if (value > 0)
            {
                // 從池中分配數(shù)組
                var newItems = _pool.Rent(value);
                if (_size > 0)
                {
                    Array.Copy(_items, newItems, _size);
                }
                // 舊數(shù)組歸還到池中
                ReturnArray();
                _items = newItems;
            }
            else
            {
                ReturnArray();
                _size = 0;
            }
        }
    }
}
private void ReturnArray()  
{  
    if (_items.Length == 0)  
        return;  
    try  
    {  
        // 歸還到池中
        _pool.Return(_items, clearArray: _clearOnFree);  
    }  
    catch (ArgumentException)  
    {  
        // ArrayPool可能會拋出異常，我們直接吞掉 
    }  
    _items = s_emptyArray;  
}

另外作者使用了Span優(yōu)化了Add、Insert等等API，讓它們有更好的隨機訪問性能；另外還加入了TryXXX系列API，可以更方便的方式的使用它。比如List類相比PooledList就有多達170個修改。

總結(jié)

在我們線上實際的使用過程中，完全可以用Pooled提供的集合類型替代原生的集合類型，對降低內(nèi)存占用率和P95延時有非常大的幫助。

另外就算忘記釋放了，那性能也不會比使用原生的集合類型差多少。當(dāng)然最好的習(xí)慣就是及時的釋放它。

.NET性能優(yōu)化-推薦使用Collections.Pooled

簡介

Collections.Pooled

如何使用

性能對比

PooledList

PooledDictionary

PooledSet

PooledStack

PooledQueue