寻找性能更优秀的不可变小字典

Dictionary 是一个很常用的键值对管理数据结构。但是在性能要求严苛的情况下，字典的查找速度并不高。所以，我们需要更快的方案。

需求说明

这里，我们需要一个 PropertyInfo 和委托对应的映射关系，这样我们就可以存储《寻找性能更优秀的动态 Getter 和 Setter 方案》提到的委托。

因此，这个字典有这些特点：

1. 这个字典一旦创建就不需要修改。
2. 字典项目并不多，因为通常一个 class 不会有太多属性。

方案说明

方案 1，Switch 表达式法。使用表达式生成一个包含 switch case 语句的委托。

方案 2，数组跳表。我们知道，switch case 之所以比连续的 if else 要快的原因是因为其生成的 IL 中包含一个跳表算法。因此，如果我们有办法使用连续数字作为下标，以及一个数组。就可以在 C# 中自己实现跳表。

知识要点

1. 使用表达式创建委托
2. PropertyInfo 有一个 int MetadataToken 属性，根据目前的观察，可以知道在一个类型中的属性其 MetadataToken 似乎是连续的，因此可以取模后作为跳表的 key。
3. 所谓的跳表，可以简单理解为，使用数组的下标来定位数组中的特定元素。

实现代码

这里，我们直接给出基准测试中使用的代码。

其中：

• Directly 直接读，没有任何查找
• ArrayIndex 数组跳表
• SwitchExp 表达式生成 Switch 方案
• Dic 传统字典方案

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Linq.Expressions;
using System.Reflection;
using BenchmarkDotNet.Attributes;

namespace Newbe.ObjectVisitor.BenchmarkTest
{
    [Config(typeof(Config))]
    public class FuncSearchTest
    {
        private Func<Yueluo, object>[] _target;
        private readonly Yueluo _yueluo;
        private readonly Func<Yueluo, string> _func;
        private readonly PropertyInfo _nameP;
        private readonly Func<PropertyInfo, Func<Yueluo, object>> _switcher;
        private readonly Dictionary<PropertyInfo, Func<Yueluo, object>> _dic;

        public FuncSearchTest()
        {
            _yueluo = Yueluo.Create();
            var propertyInfos = typeof(Yueluo).GetProperties().ToArray();

            CreateCacheArrayD(propertyInfos);

            _switcher = ValueGetter.CreateGetter<Yueluo, object>(propertyInfos,
                info => Expression.SwitchCase(Expression.Constant(CreateFunc(info)), Expression.Constant(info)));
            _dic = propertyInfos.ToDictionary(x => x, CreateFunc);

            _nameP = typeof(Yueluo).GetProperty(nameof(Yueluo.Name));
            _func = x => x.Name;
        }

        private void CreateCacheArrayD(IReadOnlyCollection<PropertyInfo> propertyInfos)
        {
            _target = new Func<Yueluo, object>[propertyInfos.Count];
            foreach (var info in propertyInfos)
            {
                var key = GetKey(info);
                var index = key % propertyInfos.Count;
                _target[index] = CreateFunc(info);
            }
        }

        private static Func<Yueluo, object> CreateFunc(PropertyInfo info)
        {
            var pExp = Expression.Parameter(typeof(Yueluo), "x");
            var bodyExp = Expression.Property(pExp, info);
            var finalExp =
                Expression.Lambda<Func<Yueluo, object>>(Expression.Convert(bodyExp, typeof(object)), pExp);
            return finalExp.Compile();
        }

        private static int GetKey(MemberInfo info)
        {
            var token = info.MetadataToken;
            return token;
        }

        [Benchmark(Baseline = true)]
        public string Directly() => _func(_yueluo);

        [Benchmark]
        public string ArrayIndex() => (string) _target[_nameP.MetadataToken % _target.Length](_yueluo);

        [Benchmark]
        public string SwitchExp() => (string) _switcher(_nameP)(_yueluo);

        [Benchmark]
        public string Dic() => (string) _dic[_nameP](_yueluo);
    }
}

基准测试

BenchmarkDotNet=v0.12.1, OS=Windows 10.0.19041.572 (2004/?/20H1)
Intel Xeon CPU E5-2678 v3 2.50GHz, 1 CPU, 24 logical and 12 physical cores
.NET Core SDK=5.0.100-rc.2.20479.15
  [Host]       : .NET Core 2.1.23 (CoreCLR 4.6.29321.03, CoreFX 4.6.29321.01), X64 RyuJIT
  net461       : .NET Framework 4.8 (4.8.4250.0), X64 RyuJIT
  net48        : .NET Framework 4.8 (4.8.4250.0), X64 RyuJIT
  netcoreapp21 : .NET Core 2.1.23 (CoreCLR 4.6.29321.03, CoreFX 4.6.29321.01), X64 RyuJIT
  netcoreapp31 : .NET Core 3.1.9 (CoreCLR 4.700.20.47201, CoreFX 4.700.20.47203), X64 RyuJIT
  netcoreapp5  : .NET Core 5.0.0 (CoreCLR 5.0.20.47505, CoreFX 5.0.20.47505), X64 RyuJIT

结论

1. 字典真拉胯。
2. Framework 真拉胯。
3. Net 5 简直太强了。
4. 数组跳表是非直接方案中最快的。

图表

数据

Method	Job	Runtime	Mean	Error	StdDev	Ratio	RatioSD	Rank
Directly	net461	.NET 4.6.1	0.9347 ns	0.0363 ns	0.0321 ns	1.00	0.00	1
ArrayIndex	net461	.NET 4.6.1	15.0904 ns	0.3820 ns	0.3752 ns	16.13	0.64	2
SwitchExp	net461	.NET 4.6.1	17.1585 ns	0.0624 ns	0.0521 ns	18.30	0.56	3
Dic	net461	.NET 4.6.1	34.3348 ns	0.2447 ns	0.2169 ns	36.77	1.18	4
Directly	net48	.NET 4.8	0.6338 ns	0.0233 ns	0.0218 ns	1.00	0.00	1
ArrayIndex	net48	.NET 4.8	15.3098 ns	0.2794 ns	0.2613 ns	24.17	0.69	2
SwitchExp	net48	.NET 4.8	17.8113 ns	0.0740 ns	0.0656 ns	28.20	0.98	3
Dic	net48	.NET 4.8	33.7930 ns	0.4538 ns	0.4245 ns	53.36	1.64	4
Directly	netcoreapp21	.NET Core 2.1	1.2153 ns	0.1168 ns	0.1434 ns	1.00	0.00	1
ArrayIndex	netcoreapp21	.NET Core 2.1	4.6545 ns	0.1044 ns	0.0871 ns	4.01	0.51	2
SwitchExp	netcoreapp21	.NET Core 2.1	8.1995 ns	0.2567 ns	0.2747 ns	6.81	0.90	3
Dic	netcoreapp21	.NET Core 2.1	24.2669 ns	0.5440 ns	0.5586 ns	20.07	2.51	4
Directly	netcoreapp31	.NET Core 3.1	0.7382 ns	0.1148 ns	0.1074 ns	1.00	0.00	1
ArrayIndex	netcoreapp31	.NET Core 3.1	4.3580 ns	0.1299 ns	0.1085 ns	6.10	0.77	2
SwitchExp	netcoreapp31	.NET Core 3.1	7.5985 ns	0.1310 ns	0.1161 ns	10.45	1.41	3
Dic	netcoreapp31	.NET Core 3.1	22.2433 ns	0.2756 ns	0.2443 ns	30.61	4.20	4
Directly	netcoreapp5	.NET Core 5.0	1.3323 ns	0.0527 ns	0.0493 ns	1.00	0.00	1
ArrayIndex	netcoreapp5	.NET Core 5.0	5.0058 ns	0.1361 ns	0.1206 ns	3.77	0.15	2
SwitchExp	netcoreapp5	.NET Core 5.0	9.0576 ns	0.0985 ns	0.0921 ns	6.81	0.26	3
Dic	netcoreapp5	.NET Core 5.0	20.4052 ns	0.2724 ns	0.2275 ns	15.44	0.59	4

总结

不论是数组跳表还是表达式 Switch 方案都可以解决这个问题，而且都要比使用字典要快。

但是这里有一个问题，就是目前作者还没有找到任何有关 MetadataToken 是否真的具备同 class 连续的性质。

因此建议还是使用 Switch 方案实现。

我只是知识的搬运工

• Working with Expression Trees in C#

发布说明

• Newbe.ObjectVisitor 0.2.10 发布，更花里胡哨
• Newbe.ObjectVisitor 0.1.4 发布，初始版本

使用样例

• Newbe.ObjectVisitor 样例 1

番外分享

• 寻找性能更优秀的动态 Getter 和 Setter 方案
• 寻找性能更优秀的不可变小字典

GitHub 项目地址：https://github.com/newbe36524/Newbe.ObjectVisitor

Gitee 项目地址：https://gitee.com/yks/Newbe.ObjectVisitor

• 本文作者： newbe36524
• 本文链接： https://www.newbe.pro/Newbe.ObjectVisitor/Better-Performance-Small-Map/
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