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.NET性能优化之为集合类型设置初始大小的方法

作者：InCerry

这篇文章主要介绍了.NET性能优化之为集合类型设置初始大小的方法,今天要谈的一个性能优化的Tips是一个老生常谈的点，但是也是很多人没有注意的一个点。在使用集合类型是，你应该设置一个预估的初始大小，那么为什么需要这样做？我们一起来从源码的角度说一说

前言

计划开一个新的系列，来讲一讲在工作中经常用到的性能优化手段、思路和如何发现性能瓶颈，后续有时间的话应该会整理一系列的博文出来。
今天要谈的一个性能优化的Tips是一个老生常谈的点，但是也是很多人没有注意的一个点。在使用集合类型是，你应该设置一个预估的初始大小，那么为什么需要这样做？我们一起来从源码的角度说一说。

集合类型

我们先来聊一聊.NET BCL库中提供的集合类型，对于这个大家肯定都不陌生，比如List、HashSet、Dictionary、Queue、Stack等等，这些都是大家每天都用到，非常熟悉的类型了，那么大家在使用的时候有没有注意过它们有一个特殊构造函数呢？像下面代码块中的那样。

public Stack (int capacity) 
public List (int capacity)
public Queue (int capacity)
public HashSet (int capacity)
public Dictionary (int capacity)

哎？为什么这些构造函数都有一个叫capacity的参数呢？我们来看看这个参数的注释。初始化类的新实例，该实例为空并且具有指定的初始容量或默认初始容量。
这就很奇怪了不是吗？在我们印象里面只有数组之类的才需要指定固定的长度，为什么这些可以无限添加元素的集合类型也要设置初始容量呢？这其实和这些集合类型的实现方式有关，废话不多说，我们直接看源码。

List源码

首先来看比较简单的List的源码（源码地址在文中都做了超链接，可以直接点击过去，在文末也会附上链接地址）。下面是List的私有变量。

// 用于存在实际的数据，添加进List的元素都由存储在_items数组中
internal T[] _items;
// 当前已经存储了多少元素
internal int _size;
// 当前的版本号，List每发生一次元素的变更，版本号都会+1
private int _version;

从上面的源码中，我们可以看到虽然List是动态集合，可以无限的往里面添加元素，但是它底层存储数据的还是使用的数组，那么既然使用的数组那它是怎么实现能无限的往里面添加元素的？我们来看看Add方法。

[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
public void Add(T item)
{
    // 版本号+1
    _version++;
    T[] array = _items;
    int size = _size;
    // 如果当前已经使用的空间 小于数组大小那么直接存储 size+1
    if ((uint)size < (uint)array.Length)
    {
        _size = size + 1;
        array[size] = item;
    }
    else
    {
        // 注意！！ 如果已经使用的空间等于数组大小，那么走AddWithResize方法
        AddWithResize(item);
    }
}

从上面的源码可以看到，如果内部_item数组有足够的空间，那么元素直接往里面加就好了，但是如果内部已存放的元素_size等于_item数组大小时，会调用AddWithResize方法，我们来看看里面做了啥。

// AddWithResize方法
[MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
private void AddWithResize(T item)
{
    Debug.Assert(_size == _items.Length);
    int size = _size;
    // 调用Grow方法，并且把size+1，至少需要size+1的空间才能完成Add操作
    Grow(size + 1);
    _size = size + 1;
    _items[size] = item;
}

// Grow方法
private void Grow(int capacity)
{
    Debug.Assert(_items.Length < capacity);
    // 如果内部数组长度等于0，那么赋值为DefaultCapacity(大小为4)，否则就赋值两倍当前长度
    int newcapacity = _items.Length == 0 ? DefaultCapacity : 2 * _items.Length;
    // 这里做了一个判断，如果newcapacity大于Array.MaxLength(大小是2^31元素)
    // 也就是说一个List最大能存储2^32元素
    if ((uint)newcapacity > Array.MaxLength) newcapacity = Array.MaxLength;
    // 如果newpapacity小于预算需要的容量，也就是说元素数量大于Array.MaxLength
    // 后面Capacity会抛出异常
    if (newcapacity < capacity) newcapacity = capacity;
    // 为Capacity属性设置值
    Capacity = newcapacity;
}

// Capacity属性
public int Capacity
{
    // 获取容量，直接返回_items的容量
    get => _items.Length;
    set
    {
        // 如果value值还小于当前元素个数
        // 直接抛异常
        if (value < _size)
        {
            ThrowHelper.ThrowArgumentOutOfRangeException(ExceptionArgument.value, ExceptionResource.ArgumentOutOfRange_SmallCapacity);
        }

        // 如果value值和当前数组长度不匹配
        // 那么走扩容逻辑
        if (value != _items.Length)
        {
            // value大于0新建一个新的数组
            // 将原来的数组元素拷贝过去
            if (value > 0)
            {
                T[] newItems = new T[value];
                if (_size > 0)
                {
                    Array.Copy(_items, newItems, _size);
                }
                _items = newItems;
            }
            // value小于0 那么直接把_items赋值为空数组
            // 原本的数组可以被gc回收了
            else
            {
                _items = s_emptyArray;
            }
        }
    }

通过上面的代码我们可以得到两个有意思的结论。

  • 一个List元素最大能存放2^31个元素.
  • 不设置Capacity的话，默认初始大小为4，后面会以2倍的空间扩容。

List底层是通过数组来存放元素的，如果空间不够会按照2倍大小来扩容，但是它并不能无限制的存放数据。
在元素低于4个的情况下，不设置Capacity不会有任何影响；如果大于4个，那么就会走扩容流程，不仅需要申请新的数组，而且还要发生内存复制和需要GC回收原来的数组。
大家必须知道分配内存、内存复制和GC回收内存的代价是巨大的，下面有个示意图，举了一个从4扩容到8的例子。

上面列举了我们从源码中看到的情况，那么不设置初始化的容量，对性能影响到底有多大呢？所以构建了一个Benchmark，来看看在不同量级下的影响，下面的Benchmark主要是探究两个问题。

public class ListCapacityBench
{
    // 宇宙的真理 42
    private static readonly Random OriginRandom = new(42);

    // 整一个数列模拟常见的集合大小 最大12万
    private static readonly int[] Arrays =
    {
        3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 100, 120, 144, 180, 200, 233, 
        250, 377, 500, 550, 610, 987, 1000, 1500, 1597, 2000, 2584,
        4181, 5000, 6765, 10946, 17711, 28657, 46368, 75025, 121393
    };

    // 生成一些随机数
    private static readonly int[] OriginArrays = Enumerable.Range(0, Arrays.Max()).Select(c => OriginRandom.Next()).ToArray();
       
    // 不设置容量
    [Benchmark(Baseline = true)]
    public int WithoutCapacity()
    {
        return InnerTest(null);
    }

    // 刚好设置需要的容量
    [Benchmark]
    public int SetArrayLengthCapacity()
    {
        return InnerTest(null, true);
    }

    // 设置为8
    [Benchmark]
    public int Set8Capacity()
    {
        return InnerTest(8);
    }
    
    // 设置为16
    [Benchmark]
    public int Set16Capacity()
    {
        return InnerTest(16);
    }

    // 设置为32
    [Benchmark]
    public int Set32Capacity()
    {
        return InnerTest(32);
    }
    
    
    // 设置为64
    [Benchmark]
    public int Set64Capacity()
    {
        return InnerTest(64);
    }
    
    // 实际的测试方法
    // 不使用JIT优化，模拟集合的实际使用场景
    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoOptimization)]
    private static int InnerTest(int? capacity, bool setLength = false)
    {
        var list = new List<int>();
        foreach (var length in Arrays)
        {
            List<int> innerList;
            if (capacity == null)
            {
                innerList = setLength ? new List<int>(length) : new List<int>();
            }
            else
            {
                innerList = new List<int>(capacity.Value);
            }
            
            // 真正的测试方法  简单的填充数据
            foreach (var item in OriginArrays.AsSpan()[..length])
            {
                innerList.Add(item);
            }
            
            list.Add(innerList.Count);
        }

        return list.Count;
    }

从上面的Benchmark结果可以看出来，设置刚好需要的初始容量最快(比不设置快40%)、GC次数最少(50%+)、分配的内存也最少(节约60%)，另外不建议不设置初始大小，它是最慢的。
要是实在不能预估大小，那么可以无脑设置一个8表现稍微好一点点。如果能预估大小，因为它是2倍扩容，可以在2的N次方中找一个接近的。

8 16 32 64 128 512 1024 2048 4096 8192 ......

Queue、Stack源码

接下来看看Queue和Stack，看看它的扩容逻辑是怎么样的。

private void Grow(int capacity)
{
    Debug.Assert(_array.Length < capacity);
    const int GrowFactor = 2;
    const int MinimumGrow = 4;
    int newcapacity = GrowFactor * _array.Length;

    if ((uint)newcapacity > Array.MaxLength) newcapacity = Array.MaxLength;

    newcapacity = Math.Max(newcapacity, _array.Length + MinimumGrow);

    if (newcapacity < capacity) newcapacity = capacity;
    SetCapacity(newcapacity);
}

基本一样，也是2倍扩容，所以按照我们上面的规则就好了。

HashSet、Dictionary源码

HashSet和Dictionary的逻辑实现类似，只是一个Key就是Value，另外一个是Key对应Value。不过它们的扩容方式有所不同，具体可以看我之前的博客，来看看扩容的源码，这里以HashSet为例。

private void Resize() => Resize(HashHelpers.ExpandPrime(_count), forceNewHashCodes: false);
private void Resize(int newSize, bool forceNewHashCodes)
{
    // Value types never rehash
    Debug.Assert(!forceNewHashCodes || !typeof(T).IsValueType);
    Debug.Assert(_entries != null, "_entries should be non-null");
    Debug.Assert(newSize >= _entries.Length);
    var entries = new Entry[newSize];
    int count = _count;
    Array.Copy(_entries, entries, count);
    if (!typeof(T).IsValueType && forceNewHashCodes)
    {
        Debug.Assert(_comparer is NonRandomizedStringEqualityComparer);
        _comparer = (IEqualityComparer<T>)((NonRandomizedStringEqualityComparer)_comparer).GetRandomizedEqualityComparer();
        for (int i = 0; i < count; i++)
        {
            ref Entry entry = ref entries[i];
            if (entry.Next >= -1)
            {
                entry.HashCode = entry.Value != null ? _comparer!.GetHashCode(entry.Value) : 0;
            }
        }
        if (ReferenceEquals(_comparer, EqualityComparer<T>.Default))
        {
            _comparer = null;
        }
    }
    // Assign member variables after both arrays allocated to guard against corruption from OOM if second fails
    _buckets = new int[newSize];
#if TARGET_64BIT
    _fastModMultiplier = HashHelpers.GetFastModMultiplier((uint)newSize);
#endif
   for (int i = 0; i < count; i++)
   {
       ref Entry entry = ref entries[i];
       if (entry.Next >= -1)
       {
           ref int bucket = ref GetBucketRef(entry.HashCode);
           entry.Next = bucket - 1; // Value in _buckets is 1-based
           bucket = i + 1;
       }
   }
   _entries = entries;
}

从上面的源码中可以看到Resize的步骤如下所示。

从这里大家就可以看出来，如果不指定初始大小的话，HashSet和Dictionary这样的数据结构扩容的成本更高，因为还需要ReHash这样的操作。
那么HashHelpers.ExpandPrime是一个什么样的方法呢？究竟每次会扩容多少空间呢？我们来看HashHelpers源码。

public const uint HashCollisionThreshold = 100;
// 这是比Array.MaxLength小最大的素数
public const int MaxPrimeArrayLength = 0x7FFFFFC3;
public const int HashPrime = 101;
public static int ExpandPrime(int oldSize)
{
    // 新的size等于旧size的两倍
    int nwSize = 2 * oldSize;
    // 和List一样，如果大于了指定最大值，那么直接返回最大值
    if ((uint)newSize > MaxPrimeArrayLength && MaxPrimeArrayLength > oldSize)
    {
        Debug.Assert(MaxPrimeArrayLength == GetPrime(MaxPrimeArrayLength), "Invalid MaxPrimeArrayLength");
        return MaxPrimeArrayLength;
    }
    // 获取大于newSize的第一素数
    return GetPrime(newSize);
}   
public static int GetPrime(int min)
{
    if (min < 0)
        throw new ArgumentException(SR.Arg_HTCapacityOverflow);
    // 获取大于min的第一个素数
    foreach (int prime in s_primes)
    {
        if (prime >= min)
            return prime;
    }
    // 如果素数列表里面没有 那么计算
    for (int i = (min | 1); i < int.MaxValue; i += 2)
    {
        if (IsPrime(i) && ((i - 1) % HashPrime != 0))
            return i;
    }
    return min;
}
// 用于扩容的素数列表
private static readonly int[] s_primes =
{
    3, 7, 11, 17, 23, 29, 37, 47, 59, 71, 89, 107, 131, 163, 197, 239, 293, 353, 431, 521, 631, 761, 919,
    1103, 1327, 1597, 1931, 2333, 2801, 3371, 4049, 4861, 5839, 7013, 8419, 10103, 12143, 14591,
    17519, 21023, 25229, 30293, 36353, 43627, 52361, 62851, 75431, 90523, 108631, 130363, 156437,
    187751, 225307, 270371, 324449, 389357, 467237, 560689, 672827, 807403, 968897, 1162687, 1395263,
    1674319, 2009191, 2411033, 2893249, 3471899, 4166287, 4999559, 5999471, 7199369
};
// 当容量大于7199369时，需要计算素数
public static bool IsPrime(int candidate)
{
    if ((candidate & 1) != 0)
  {
        int limit = (int)Math.Sqrt(candidate);
        for (int divisor = 3; divisor <= limit; divisor += 2)
        {
            if ((candidate % divisor) == 0)
                return false;
        }
        return true;
    }
    return candidate == 2;
}

从上面的代码我们就可以得出HashSet和Dictionary每次扩容后的大小就是大于二倍Size的第一个素数，和List直接扩容2倍还是有差别的。
至于为什么要使用素数来作为扩容的大小，简单来说是使用素数能让数据在Hash以后更均匀的分布在各个桶中(素数没有其它约数)，这不在本文的讨论范围，具体可以戳链接1、链接2、链接3了解更多。

总结

从性能的角度来说，强烈建议大家在使用集合类型时指定初始容量，总结了下面的几个点。

从性能的角度来说，强烈建议大家在使用集合类型时指定初始容量，总结了下面的几个点。

可以尽量的预估多一点点，能避免Resize操作就避免

附录

List源码：https://github.com/dotnet/runtime/blob/main/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Collections/Generic/List.cs

Stack源码：https://github.com/dotnet/runtime/blob/main/src/libraries/System.Collections/src/System/Collections/Generic/Stack.cs

Queue源码：https://github.com/dotnet/runtime/blob/main/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Collections/Generic/Queue.cs

HashSet源码：https://github.com/dotnet/runtime/blob/main/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Collections/Generic/HashSet.cs

Dictionary源码：https://github.com/dotnet/runtime/blob/main/src/libraries/System.Private.CoreLib/src/System/Collections/Generic/Dictionary.cs

浅析 C# Dictionary：https://www.cnblogs.com/InCerry/p/10325290.html

到此这篇关于.NET性能优化之为集合类型设置初始大小的方法的文章就介绍到这了,更多相关.NET性能优化集合类型设置初始大小内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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