C#性能优化实践-InfoQ

性能主要指两个方面：内存消耗和执行速度。性能优化简而言之，就是在不影响系统运行正确性的前提下，使之运行地更快，完成特定功能所需的时间更短。

本文以.NET 平台下的控件产品 MultiRow 为例，描述 C#性能优化的实践。

性能优化原则

· 理解需求

MultiRow 的一个性能需求是：“百万行数据绑定下平滑滚动。”整个 MultiRow 项目的开发过程一直在考虑这个目标。

· 理解瓶颈

99% 的性能消耗是由于 1% 的代码造成的。大部分性能优化都是针对这 1% 的瓶颈代码进行的。具体实施也就分为两步：“发现瓶颈”和“消除瓶颈”。

· 切忌过度

性能优化本身是有成本的。这个成本不单单体现在做性能优化所付出的工作量，还包括为性能优化而写出复杂的代码导致额外的维护成本，比如引入新的 Bug，额外的内存开销等。性能优化常常需要在收益和成本之间做出权衡。

如何发现性能瓶颈

性能优化的第一步是发现性能瓶颈，下面是一些定位性能瓶颈的实践。

· 如何获取内存消耗

以下代码可以获取某个操作的内存消耗。

复制代码

  
long start = GC.GetTotalMemory(true);
// 在这里写需要被测试内存消耗的代码，例如，创建一个 GcMultiRow
var gcMulitRow1 = new GcMultiRow();
GC.Collect();
// 确保所有内存都被 GC 回收
GC.WaitForFullGCComplete();
long end = GC.GetTotalMemory(true);
long useMemory = end - start;

· 如何获取时间消耗

以下代码可以获取某个操作时间消耗。

复制代码

  
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;

为了获得更加稳定的时间消耗，这里把一个操作循环执行了 1000 次，取时间消耗的平均值以排除不稳定数据。

· ANTS Performance Profiler

ANTS Performance Profiler 是款功能强大的性能检测软件。熟练使用这个工具，我们可以快速准确的定位到有性能问题的代码。这是一款收费软件，会在 IL 中加入一些钩子用来记录时间，所以在分析时，软件的执行速度会比实际运行慢一些，获得的数据也因此并不是百分之百的准确，还要结合其他技巧来分析程序的性能。

· CodeReview

CodeReview 是发现性能问题的最后手段。CodeReview 应该对产品的性能瓶颈尽可能多的关注，确保该部分逻辑执行的尽可能的快。

性能优化的方法和技巧

定位了性能问题后，解决的办法有很多。下面是一些性能优化的技巧和实践。

· 优化程序结构

在设计时就应该考虑产品结构是否可以达到性能需求。如果后期发现了性能问题，调整结构会带来非常大的开销。

例如：

GcMultiRow 要支持 100 万行数据。假设每行有 10 列的话，就需要有 1000 万个单元格，每个单元格上又有很多的属性。如果不做任何优化，大数据量时，一个 GcMultiRow 软件的内存开销会相当的大。GcMultiRow 采用的方案是使用哈希表来存储行数据：只有用户改过的行放到哈希表里，大部分没有改过的行都直接使用模板代替。这就达到了节省内存的目的。

WPF 平台和 Silverlight 平台的画法和 Winform 平台不同，是通过组合 Visual 元素的方法实现的。SpreadGrid for WPF 产品同样支持百万级的数据量，但是又不能给每个单元格都分配一个 View。所以 SpreadGrid 使用了 VirtualizingPanel 来实现画法。思路是每一个 Visual 是一个 Cell 的展示模块，可以和 Cell 的数据模块分离，这样就只需要为显示出来的 Cell 创建 Visual。当发生滚动时会有一部分 Cell 滚出屏幕，有一部分 Cell 滚入屏幕。这时，让滚出屏幕的 Cell 和 Visual 分离，然后再复用这部分 Visual 给新进入屏幕的 Cell。如此循环，就只需要几百个 Visual 就可以支持很多的 Cell。

· 缓存

缓存（Cache）是性能优化中最常用的手段，针对需要频繁的获取一些数据，同时每次获取数据需要的时间比较长的场景。如果使用了缓存的优化方法，需要特别注意缓存数据的同步：如果真实的数据发生了变化，应该及时的清除缓存数据，确保不会因为缓存而使用了错误的数据。

使用缓存的情况比较多。最简单的情况就是缓存到一个 Field 或临时变量里。

复制代码

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

以上代码一般情况下是没有问题的，但是，如果 GcMultiRow 的行数比较大。而 RowCount 属性的取值又比较慢的时候，就需要使用缓存来做性能优化。

复制代码

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

使用对象池也是一个常见的缓存方案，比使用 Field 或临时变量稍微复杂一点。例如，在 MultiRow 中，画边线，画背景，需要用到大量的 Brush 和 Pen。这些 GDI 对象每次用之前要创建，用完后要销毁。创建和销毁的过程是比较慢的。GcMultiRow 使用的方案是创建一个 GDIPool。本质上是一些 Dictionary，使用颜色做 Key。所以只有第一次取的时候需要创建，以后就直接使用以前创建好的。

以下是 GDIPool 的代码：

复制代码

  
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; 
   } 
}

· 懒构造

大多时候，对于创建需要花费较长时间的对象，往往并不是所有的场景下都需要使用。这时，使用懒构造的方法可以有效提高程序启动性能。

举例来说，对象 A 需要内部创建对象 B。对象 B 的构造时间比较长。一般做法：

复制代码

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

一般做法下，由于构造对象 A 的同时要构造对象 B，导致 A 的构造速度也变慢了。

优化做法：

复制代码

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

优化后，构造 A 的时候就不需要创建 B 对象，有效的提高了 A 的构造性能。

· 优化算法

优化算法可以有效的提高特定操作的性能。使用一种算法时应该了解算法的适用情况、最好情况和最坏情况。以 GcMultiRow 为例，最初 MultiRow 的排序算法使用了经典的快速排序算法。这看起来是没有问题的。但是，对于表格软件，用户经常的操作是对有序表进行排序，如顺序和倒序之间切换。而经典的快速排序算法的最差情况就是基本有序的情况。所以经典快速排序算法不适合 MultiRow。

改进的快速排序算法使用了 3 个中点来代替经典快排的一个中点的算法，每次交换都是从 3 个中点中选择中间值。这样，乱序和基本有序的情况都不是这个算法的最坏情况，从而优化了性能。

· 正确的使用既有数据结构

我们现在工作的.NET framework 平台有很多现成的数据结构。我们应该了解这些数据结构，提升我们程序的性能。

例如：

1. String 的加运算符和 StringBuilder：字符串的操作是我们经常遇到的基本操作之一。我们经常会写这样的代码 string str = str1 + str2。当操作的字符串很少的时候，这样的操作没有问题。但是如果大量操作的时候（例如文本文件的 Save/Load， Asp.net 的 Render），这样做就会带来严重的性能问题。这时，我们就应该用 StringBuilder 来代替 string 的加操作。

2. Dictionary 和 List: Dictionary 和 List 是最常用的两种集合类。选择正确的集合类可以很大的提升程序的性能。为了做出正确的选择，我们应该对 Dictionary 和 List 的各种操作的性能比较了解。下表中粗略的列出了两种数据结构的性能比较。

操作

List

Dictionary

索引

快

慢

Find（Contains）

慢

快

Add

快

慢

Insert

慢

快

Remove

慢

快

3. TryGetValue: 对于 Dictionary 的取值，比较直接的方法是如下代码：

复制代码

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

当需要大量取值的时候，这样的取法会带来性能问题。优化方法如下：

复制代码

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

后一种用法要比前一种用法取值性能提高一倍。

4. 为 Dictionary 选择合适的 Key: Dictionary 的取值性能很大情况下取决于做 Key 的对象的 Equals 和 GetHashCode 两个方法的性能。如果可以的话，使用 Int 做 Key 性能最好。如果是一个自定义的 Class 做 Key 的话，最好保证以下两点：1. 不同对象的 GetHashCode 重复率低。2. GetHashCode 和 Equals 方法简单，效率高。

5. List 的 Sort 和 BinarySearch 性能很好，如果能满足功能需求，推荐直接使用。

复制代码

  
List<int> list = new List<int>{3, 10, 15};
list.BinarySearch(10); // 对于存在的值，结果是 1
list.BinarySearch(8); // 对于不存在的值，会使用负数表示位置，
// 如查找 8 时，结果是 -2， 查找 0 结果是 -1，查找 100 结果是 -4.

· 通过异步提升响应时间

1. 多线程

有些操作确实需要花费比较长的时间。在处理的过程中，如果用户进行操作时失去响应，这个用户体验是很差的。使用多线程技术可以解决这个问题。例如，有一个类似 Excel 的计算引擎，在构造的时候要初始化所有的函数定义。由于函数比较多，初始化时间会比较长。这是如果用到了多线程，在工作线程中做函数定义进行的初始化，就不会影响到 UI 线程快速响应用户的其他操作了。

代码如下:

复制代码

  
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(); 
           }
          }
        } 
       }); 
      } 
     } 
    } 
   }

这里比较慢的操作就是 EnsureFunctions 函数，是在另一个线程里执行的，不会影响主线程的响应。当然，使用多线程是一个比较有难度的方案，需要充分考虑跨线程访问和死锁的问题。

2. 加延迟时间

在 GcMultiRow 实现 AutoFilter 功能的时候使用了一个类似于延迟执行的方案来提升响应速度。AutoFilter 的功能是用户在输入的过程中根据用户的输入更新筛选的结果。数据量大的时候一次筛选需要较长时间，会导致用户输入不流畅，体验不好。使用多线程虽然是个好方案，但是会增加程序的复杂度。MultiRow 的解决方案是当接收到用户的键盘输入消息的时候，并不立即出发 Filter，而是等待 0.3 秒。如果用户连续输入，会在这 0.3 秒内再次收到键盘消息，放弃上一个任务，再等 0.3 秒，直到连续 0.3 秒内没有新的键盘消息时再触发 Filter。这样就实现了比较流畅的用户体验。

3. Application.Idle**** 事件

在 GcMultiRow 的 Designer 里，经常要根据当前的状态刷新 ToolBar 上按钮的 Disable/Enable 状态，一次刷新需要较长的时间。这个又一次影响了用户输入的流畅性。GcMultiRow 的优化方案是通过系统的 Application.Idle 事件，仅当系统空闲的时候处理刷新逻辑。接到这个事件时，一般都是用户已经完成了连续的输入，这时就可以从容的刷新按钮的状态了。

4. Refresh, BeginInvoke

平台本身也提供了一些异步方案。例如在 WinForm 下触发一块区域重画的时候，调用 Refresh 方法不会导致立即重画，而是设置 Invalidate 标记，触发异步的刷新。在控件开发中，这个技巧可以有效的提高产品的性能，同时简化实现复杂度。

Control.BeginInvoke 方法可以被用来触发异步的自定义行为。

· 进度条，提升用户体验

有时候，以上提到的方案都没有办法快速响应用户操作。进度条、一直转圈圈的图片、提示性文字（如"你的操作可能需要较长时间，请耐心等待"）等，都可以有效的提升用户体验，可以作为最后方案来考虑。

作者简介：

胡森，葡萄城公司软件工程师，PowerTools 产品系列项目经理。长期专注于 .NET UI 控件产品的设计和开发。致力于为广大.NET 开发者提供强大，高效，易用的控件产品。

感谢赵劼对本文的审校。

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	long start = GC.GetTotalMemory(true);
	// 在这里写需要被测试内存消耗的代码，例如，创建一个 GcMultiRow
	var gcMulitRow1 = new GcMultiRow();
	GC.Collect();
	// 确保所有内存都被 GC 回收
	GC.WaitForFullGCComplete();
	long end = GC.GetTotalMemory(true);
	long useMemory = end - start;


	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;


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


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


	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;
	}
	}


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


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


	List<int> list = new List<int>{3, 10, 15};
	list.BinarySearch(10); // 对于存在的值，结果是 1
	list.BinarySearch(8); // 对于不存在的值，会使用负数表示位置，
	// 如查找 8 时，结果是 -2，查找 0 结果是 -1，查找 100 结果是 -4.


	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();
	}
	}
	}
	});
	}
	}
	}
	}

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