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【unity c#】深入理解string，以及不同方式构造类与反射的性能测试（基于BenchmarkDotNet）

article 2024/12/26 0:01:58

出这篇文章的主要一个原因就是ai回答的性能差异和实际测试完全不同，比如说是先获取构造函数再构造比Activator.CreateInstance(type)快，实际却相反
对测试结果的评价基于5.0，因为找不到unity6确切使用的net版本，根据c#9推测是net5.0

起因：看到animancer对string的描述，我开始纠结起来要不要使用，于是有此文章
省流版就是
因为字符串常量池，字面量和方法参数都是直接比较引用，而且无论"string"+"string"还是两个相同长度不同内容的字符串都是比较的引用，如果引用不同，会比较长度，只有在使用变量存字符串，并且运行时动态修改，导致引用不同

  1. 只要不使用变量存字符串，并且运行时动态修改，就可以放心用string
  2. 反射用委托
  3. 构造用表达式树或者Activator.CreateInstance（反正不会经常调用）
  4. 拼接字符串用StringBuilder
  5. 有时间纠结性能不如多做两个玩法
    stringbuilder和字符串常量池都是学java时的遗产，但学c#好像没被提到过，所以在这里提一嘴
    在这里插入图片描述StringReference 本质是 通过字典缓存和引用比较，也就是说，如果通过动态字符串获取缓存，仍然会在取值时执行一次字符比较判断键是否相等。如果BenchmarkDotNet是可信的，那么StringReference可能 并没有起到提高效率的效果。反而因为隐式转换额外多消耗了一点

补充：

所以最终我决定放弃包装string，如果有需要扩展的就直接用【扩展方法】就好了
不过通过隐式类型转换+字典的缓存方式也让人大开眼界，留个印象说不定哪天用得上

BenchmarkDotNet可参：https://blog.csdn.net/x740073529/article/details/119934597
安装可参：https://www.cnblogs.com/WilsonPan/p/12904664.html
视频可参：https://www.bilibili.com/video/BV1DM411T7rb
简单来说就是安装包，在main入口执行，记得将运行设置为运行模式而不是调试模式：
在这里插入图片描述

为了8和5兼容需要删除自动生成全局using的设置：ImplicitUsings。右键，编辑项目文件可以找到

<PropertyGroup>
  <OutputType>Exe</OutputType>
  <TargetFrameworks>net8.0;net5.0</TargetFrameworks>
   
  <Nullable>enable</Nullable>
</PropertyGroup>

String

主要还是参考作用，真正真实的结果只能到unity实际测试了

结论

  • 前置知识：直接用字面量（= ‘abc’）是得到字符串常量池中的引用，所以相同字面量的字符串引用地址相等。而new或者拼接动态字符串才会开辟新的内存空间
  • 常量形式的string，哪怕是"string"+"string"的形式，也是被字符串常量池优化过的，相当于直接比较引用
  • 字符串的等号应该是被重写的，调用equals，并且优先比较引用，也就时候说，只有在使用变量存字符串，并且运行时动态修改，并且长度不同，才会低效
  1. 查找字符串为键的字典：取hash比较，快
  2. 查找字符串为键的字典，取值时动态拼接字符串：多出的时间消耗约等于变量拼接常量再比较，意味着除了hash计算还有一次字符比较的操作
  3. 查找值类型为键的字典：遥遥领先
  4. 引用类型作为键：比字符串稍快
  5. 包装字符串为类的效果：比引用类型稍慢
  6. 动态拼接字符串来查找： 不缓存则较慢
  7. 常量字符串比较：比引用比较更快，可能有优化吧
  8. 不同常量不同长度字符串比较：稍慢，应该是判断了字符串长度
  9. 拼接常量字符串：和常量比较一样，看来是自动优化了
  10. 变量拼接常量再比较（normal3）：很慢。这里应该是比较的字符
  11. 不同常量比较：快

这里是总览，命名不规范，建议和代码对照看
在这里插入图片描述

源码

在 .NET 5 之前，很多基础类型（例如 string）的实现是在 C++ 编写的
所以只能看net8的来参考了

 public override bool Equals([NotNullWhen(true)] object? obj)
 {
     if (ReferenceEquals(this, obj))
         return true;

     if (!(obj is string str))
         return false;

     if (this.Length != str.Length)
         return false;

     return EqualsHelper(this, str);
 }
 private static bool EqualsHelper(string strA, string strB)
{
    Debug.Assert(strA != null);
    Debug.Assert(strB != null);
    Debug.Assert(strA.Length == strB.Length);

    return SpanHelpers.SequenceEqual(
            ref Unsafe.As<char, byte>(ref strA.GetRawStringData()),
            ref Unsafe.As<char, byte>(ref strB.GetRawStringData()),
            ((uint)strA.Length) * sizeof(char));
}
补充
  1. 不同常量相同长度字符串：引用级
  2. 每个字符比较：比动态拼接快。推测是少了一系列引用比较的缘故
  3. 比较常量的hash：不如每个字符比较一遍
  4. Equals比较不同常量：比引用慢，比hash快，比较的是字符？
  5. Equals比较相同常量：五代比等号慢，说明等号有特殊处理
    在这里插入图片描述
    可以看到5代的Equals被8代薄纱，可能是把等号的判断移到Equals了
    在这里插入图片描述
    看其他博客说 动态拼接的比较方式为比较两个字符串的第一个字符：相等则比较第二个，实际测试并不是，比较字符串时改变差异字符的位置没有影响性能，估计是
[Benchmark]
public void xiangdengNormal7()
{
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        var t = "asdasdfasdfasdfsafasdf" == "asdasdfasdfasdfsafasdp";
    }
}
[Benchmark]
public void xiangdengNormal8()
{
    string a = "asdasdfasdfasdfsafasdf";
    string b = "asdasdfasdfasdfsafasdf";
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        for (int j = 0; j < a.Length; j++)
        {
            var t = a[j] == b[j];
        }
    }
}
[Benchmark]
public void xiangdengNormal9()
{ 
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        var t = "asdasdfasdfasdfsafasdf".GetHashCode() == "asdasdfasdfasdfsafasdp".GetHashCode();
    }
}
[Benchmark]
public void xiangdengNormal10()
{
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        var t = "asdasdfasdfasdfsafasdf".Equals("asdasdfasdfasdfsafasdp");
    }
}
[Benchmark]
public void xiangdengNormal12()
{
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        var t = "asdasdfasdfasdfsafasdf".Equals("asdasdfasdfasdfsafasdf");
    }
}
不用循环
  • 这里是没用循环的结果，缓存每用上导致结果不准确，所以用hash的结果偏慢。但也反映出hash和string常量引用不同，反而丢失了常量池的优化
  • 可以看到net8 比较动态字符串也快了三四倍
  • 其他：模板字符串消耗更高
    在这里插入图片描述

测试getHashCode的消耗

可以看出来字典查找的损耗就是源自于此，而且每次都是重新获取hash

[Benchmark]
public void getHash1()
{
    "asdasdfasdfasdfsafasdf".GetHashCode();
}
[Benchmark]
public void getHash2()
{
    stringHash.GetHashCode();
}

在这里插入图片描述

测试代码

[SimpleJob(BenchmarkDotNet.Jobs.RuntimeMoniker.Net50)]   // 在Net5.0测试(unity6 => c#9 推测=> net5.0)
[SimpleJob(BenchmarkDotNet.Jobs.RuntimeMoniker.Net80)]
public class StringTest
{
    // 测试数据量
    private const int N = 100;
    // 测试用的字符串和 StringHash 字典
    private Dictionary<string, string> stringDict;
    private Dictionary<int, int> intDict;
    private Dictionary<YourClass, int> objDict;
    private YourClass obj = new YourClass();
    private Dictionary<StringHash, StringHash> stringHashDict;
    private StringHash stringHash = "asdasdfasdfasdfsafasdf";
    // 引用应该是相同的  用字典缓存了的
    private StringHash stringHash2 = "asdasdfasdfasdfsafasdf";

    private string key = "Value";

    // 初始化测试数据
    [GlobalSetup]
    public void Setup()
    {
        key += "10";
        stringDict = new Dictionary<string, string>(N);
        stringHashDict = new Dictionary<StringHash, StringHash>(N);
        intDict = new Dictionary<int, int>(N);
        objDict = new Dictionary<YourClass, int>(N);

        // 插入数据
        objDict.Add(obj, 1); // 对象字典
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            string value = $"Value{i}";
            stringDict.Add(value, value); // 字符串字典
            stringHashDict.Add(value, value); // StringHash 字典

            intDict.Add(i, i); // 整数字典

        }
    }

    // 字符串字典插入性能
    //[Benchmark]
    //public void StringDictInsertion()
    //{
    //    for (int i = 0; i < N; i++)
    //    {
    //        string value = $"Value{i}";
    //        stringDict[value] = value;
    //    }
    //}

     StringHash 字典插入性能
    //[Benchmark]
    //public void StringHashDictInsertion()
    //{
    //    for (int i = 0; i < N; i++)
    //    {
    //        //string value = $"Value{i}";
    //        stringHashDict[new StringHash(value)] = new StringHash(value);
    //    }
    //}

    // 字符串字典查找性能
    [Benchmark]
    public void StringDictLookup()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            string value = "Value" + i;
            stringDict.TryGetValue(value, out _);
        }
    }
    
    [Benchmark]
    public void StringDictLookup2()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            string value = "Value10";
            stringDict.TryGetValue(value, out _);
        }
    }
    [Benchmark]
    public void IntDictLookup()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            intDict.TryGetValue(10, out _);
        }
    }
    [Benchmark]
    public void ObjDictLookup()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            objDict.TryGetValue(obj, out _);
        }
    }
     动态字符串字典查找性能
    [Benchmark]
    public void StringDictLookupByDynamic()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            string value = "Value";
            stringDict.TryGetValue(value + "10", out _);
        }
    }
    [Benchmark]
    public void StringDictLookupByDynamic2()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        { 
            stringDict.TryGetValue(key, out _);
        }
    }

    // StringHash 字典查找性能
    [Benchmark]
    public void StringHashDictLookup()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            //string value = $"Value{i}";
            stringHashDict.TryGetValue(new StringHash("Value10"), out _);
        }
    }
    [Benchmark]
    public void StringHashDictLookup2()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            //这里是缓存的
            stringHashDict.TryGetValue("Value10", out _);
        }
    }

    [Benchmark]
    public void xiangdengNormal()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            var t = "asdasdfasdfasdfsafasdf" == "asdasdfasdfasdfsafasdf";
        }
    }
    [Benchmark]
    public void xiangdengNormal2()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            var t = "asdasdfasdfasdfsafasdf" == "asdasdfasdfasdf" + "safasdf";
        }
    }
    [Benchmark]
    public void xiangdengNormal3()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            string a = "asdasdfasdfasdf";
            var t = "asdasdfasdfasdfsafasdf" == a + "safasdf";
        }
    }
    [Benchmark]
    public void xiangdengNormal4()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            var t = "asdasdfasdfasdfsafasdf" == "asdasdfasdfasdfsafasdfasfaa";
        }
    }
    [Benchmark]
    public void xiangdengNormal5()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            string a = "asdasdfasdfasdfsafasdf";
            string b = "asdasdfasdfasdfsafasdfasfaa";
            var t = a == b;
        }
    }
    [Benchmark]
    public void xiangdengHash()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            var t = stringHash == "asdasdfasdfasdfsafasdf";
        }
    }
    [Benchmark]
    public void xiangdengHash2()
    {
        for (int i = 0; i < N; i++)
        {
            var t = stringHash == "asdasdfasdfasdfsafasdfasfaa";
        }
    }
    [Benchmark]
    public void xiangdengRefrence()
    {
        var t = stringHash == stringHash2;
    }
    [Benchmark]
    public void xiangdengInt()
    {
        var t = 123 == 123;
    }
}

[Serializable]
public class StringHash : IComparable<StringHash>
{
    // 字段 
    private readonly string name;
    public int hash;

    private static readonly Dictionary<string, StringHash> StringHashDic = new(256);
    /// <summary>
    /// 获取或添加
    /// </summary>
    /// <param name="value"></param>
    /// <returns></returns>
    public static StringHash Get(string value)
    {
        if (value is null) return null;
        if (!StringHashDic.TryGetValue(value, out var reference))
            StringHashDic.Add(value, reference = new(value));
        return reference;
    }

    // 构造函数
    public StringHash(string name)
    {
        this.name = name;
        hash = HashCode.Combine(name);
        // 对于相同字符串，生成相同hash码
		// hash =  Animator.StringToHash(name);
    }

    // 重写隐式转换
    // 在 string 类型和自定义的 StateHashName 类型之间进行自动转换  就可以直接=
    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public static implicit operator StringHash(string value) => Get(value);
    public static implicit operator string(StringHash value) => value?.name;

    // 覆盖 ToString 方法
    // 特性：尽可能将方法内联化   比委托调用快十倍
    [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
    public override string ToString() => name;

    // 重载 == 运算符
    public static bool operator ==(StringHash left, StringHash right)
    {
        if (ReferenceEquals(left, null))
            return ReferenceEquals(right, null);
        return left.Equals(right);
    }
    // 重载 != 运算符
    public static bool operator !=(StringHash left, StringHash right)
    {
        return !(left == right);
    }

    // 重写 Equals 和 GetHashCode 方法  
    //public override bool Equals(object obj)
    //{
    //    if (ReferenceEquals(this, obj)) return true;
    //    if (obj is StringHash other)
    //    {
    //        // 检查哈希值
    //        if (hash != other.hash)
    //            return false;
    //        return true;
    //        // 哈希值相等时，进一步比较字符串内容 处理hash碰撞
    //        //return name == other.name;// == 对于 null 会非常安全，但 Equals 可能会抛出异常
    //    }
    //    return false;
    //}

    // 会被字典调用
    // 如果键冲突，会调用Equals 
    public override int GetHashCode()
    {
        return hash;
    }

    // 比较方法
    public int CompareTo(StringHash other) => name.CompareTo(other?.name);
}

构造类测试

反射经常能简化代码，但也有性能损耗，索性可以避免，委托只是其中一种方式。

  1. 带缓存表达式树调用构造函数（委托） : 只比正常慢了一点
  2. 表达式树（委托）
  3. 正常构造
  4. 通过反射获取构造方法再调用：慢了十倍以上
  5. 反射+强制类型转换：慢了5倍的样子
  6. 反射+as 类型转换：as确实比强转慢一点，但不多
  7. 泛型反射：和反射一样
    结果： net8.0对反射似乎有不小的优化，可惜unity版本更不上
    在这里插入图片描述
    测试代码
using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System.Linq.Expressions;
using System;  

[MemoryDiagnoser]
[SimpleJob(BenchmarkDotNet.Jobs.RuntimeMoniker.Net50)]   // 在Net5.0测试(unity6 => c#9 推测=> net5.0)
[SimpleJob(BenchmarkDotNet.Jobs.RuntimeMoniker.Net80)]
public class TestClass
{
    private Action _delegate;
    private event Action _event;

    int iterations = 10000;

    static void Main(string[] args)//main函数
    {
        // 运行 BenchmarkTest 里标记为 Benchmark 的方法，比较它们的性能
        var summary = BenchmarkRunner.Run<TestClass>();
        Console.WriteLine(summary);
    } 

    private Func<YourClass> constructorDelegate;
    [GlobalSetup]
    public void Setup()
    {
        var type = typeof(YourClass);
        // 获取无参数的构造函数
        var constructor = type.GetConstructor(Type.EmptyTypes);
        // 创建一个表达式树，表示调用构造函数的操作
        var newExpression = Expression.New(constructor);
        // 创建一个 Lambda 表达式，指定返回类型为 YourClass
        var lambda = Expression.Lambda<Func<YourClass>>(newExpression);
        // 编译表达式树，得到一个委托
        constructorDelegate = lambda.Compile();
    }

    [Benchmark]
    public void biaodashiHuancun()
    {
        YourClass obj = constructorDelegate();
    }
    [Benchmark]
    public void biaodashi()
    {
        var type = typeof(YourClass);
        // 获取无参数的构造函数
        var constructor = type.GetConstructor(Type.EmptyTypes);
        // 创建一个表达式树，表示调用构造函数的操作
        var newExpression = Expression.New(constructor);
        // 创建一个 Lambda 表达式，指定返回类型为 YourClass
        var lambda = Expression.Lambda<Func<YourClass>>(newExpression);
        // 编译表达式树，得到一个委托
        var constructorDelegate = lambda.Compile();
        YourClass obj = constructorDelegate();
    } 
    [Benchmark]
    public void Normal()
    {
        YourClass obj = new YourClass();
    }
    [Benchmark]
    public void gouzao()
    {
        var type = typeof(YourClass);
        var constructor = type.GetConstructor(Type.EmptyTypes); 
        YourClass obj = constructor.Invoke(null) as YourClass;
    }

    [Benchmark]
    public void fanshe()
    {
        var type = typeof(YourClass); // 请替换为你的类 
        YourClass? obj = (YourClass)Activator.CreateInstance(type);
    }
    [Benchmark]
    public void fansheAs()
    {
        var type = typeof(YourClass); // 请替换为你的类 
        YourClass? obj = Activator.CreateInstance(type) as YourClass;
    }
    [Benchmark]
    public void fansheFanxing()
    {
        var type = typeof(YourClass);
        YourClass? obj = Activator.CreateInstance<YourClass>();
    }


}

//省略了字段
public class YourClass
{ 
    public YourClass()
    { 
    }
}

额外测试

空类测试

  1. 类的属性是否影响构造消耗：是
  2. as的消耗具体多大：可以忽略，甚至更快了
    在这里插入图片描述

十几个字段的类

  1. as转换为接口和as转换为类消耗差距： 差不多
  2. as和is消耗：差不多
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述

代码：

[Benchmark]
public void fanshe()
{
    var type = typeof(YourClass); // 请替换为你的类 
    object obj = Activator.CreateInstance(type);
}
[Benchmark]
public void fansheAs()
{
    var type = typeof(YourClass); // 请替换为你的类 
    YourClass? obj = Activator.CreateInstance(type) as YourClass;
}
[Benchmark]
public void fansheAsInterface()
{
    var type = typeof(YourClass); // 请替换为你的类 
    IYourInterface? obj = Activator.CreateInstance(type) as IYourInterface;
}
[Benchmark]
public void TestIS()
{
    var type = typeof(YourClass); // 请替换为你的类 
    _ = Activator.CreateInstance(type) is IYourInterface;
}

反射测试

参考：https://blog.walterlv.com/post/create-delegate-to-improve-reflection-performance.html

  1. 直接调用
  2. 通过方法（委托）调用：慢了十倍 （可能是有额外的检查）
  3. 通过委托调用：和通过方法差不多
  4. 通过缓存的反射方法：慢了百倍
  5. 通过反射：慢了两百倍
    在这里插入图片描述
代码
public class Fanshe
{
    private StubClass instance;
    private MethodInfo method;
    private Func<int, int> pureFunc;
    private Func<int, int> func;

    // 初始化测试数据
    [GlobalSetup]
    public void Setup()
    {
        instance = new StubClass();
        method = typeof(StubClass).GetMethod(nameof(StubClass.Test), new[] { typeof(int) });
        pureFunc = value => value;

        // 使用反射创建一个委托
        func = InstanceMethodBuilder<int, int>.CreateInstanceMethod(instance, method);
    }

    // 直接调用
    [Benchmark]
    public void DirectCall()
    {
        var result = instance.Test(5);
    }

    // 使用 Func 委托调用
    [Benchmark]
    public void FuncCall()
    {
        var result = pureFunc(5);
    }

    // 使用反射创建的委托调用
    [Benchmark]
    public void DelegateFromReflection()
    {
        var result = func(5);
    }

    // 使用缓存的反射方法调用
    [Benchmark]
    public void CachedReflectionCall()
    {
        var result = method.Invoke(instance, new object[] { 5 });
    }

    // 使用每次都反射查找的方法调用
    [Benchmark]
    public void DirectReflectionCall()
    {
        var result = typeof(StubClass).GetMethod(nameof(StubClass.Test), new[] { typeof(int) })
            ?.Invoke(instance, new object[] { 5 });
    }
}

http://www.kler.cn/a/451397.html

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