从.Net版本演变看String和StringBuilder性能之争

在C#中string关键字的映射实际上指向.NET基类System.String。System.String是一个功能非常强大且用途非常广泛的基类，所以我们在用C#string的时候实际就是在用.NET Framework String。String上是一个不可变的数据类型，一旦对字符串对象进行了初始化，该字符串对象就不能改变了。表面上修改字符串内容的方法和运算符实际上创建一个新字符串，所以重复修改给定的字符串，效率会很低。所以.Net Framework定义了另一个StringBuild类以提高字符串处理的性能，但String和StringBuild之间又有什么联系呢。

 以下一个示例基于版本.Net Framework2.0这个示例主要是参考重谈字符串性能，先定义一个简单性能计数器主要目的有：

（1）打印出各字符串处理方法的消耗时间

（2）CPU时钟周期

（3）执行过程中垃圾回收器回收次数

 public class CodeTimer
    {
        public delegate void Action();
        /// <summary>
        /// 初始化
        /// </summary>
        public static void Initialize()
        {
            Process.GetCurrentProcess().PriorityClass = ProcessPriorityClass.High;
            Thread.CurrentThread.Priority = ThreadPriority.Highest;
            Time("", 1, () => { });
        }
        public static void Time(string name, int iteration, Action action)
        {
            if (String.IsNullOrEmpty(name)) return;

            // 1.
            ConsoleColor currentForeColor = Console.ForegroundColor;
            Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Yellow;
            Console.WriteLine(name);

            // 2.
            GC.Collect(GC.MaxGeneration, GCCollectionMode.Forced);
            int[] gcCounts = new int[GC.MaxGeneration + 1];
            for (int i = 0; i <= GC.MaxGeneration; i++)
            {
                gcCounts[i] = GC.CollectionCount(i);
            }

            // 3.
            Stopwatch watch = new Stopwatch();
            watch.Start();
            ulong cycleCount = GetCycleCount();
            for (int i = 0; i < iteration; i++) action();
            ulong cpuCycles = GetCycleCount() - cycleCount;
            watch.Stop();

            // 4.
            Console.ForegroundColor = currentForeColor;
            Console.WriteLine("	Time Elapsed:	" + watch.ElapsedMilliseconds.ToString("N0") + "ms");
            Console.WriteLine("	CPU Cycles:	" + cpuCycles.ToString("N0"));

            // 5.
            for (int i = 0; i <= GC.MaxGeneration; i++)
            {
                int count = GC.CollectionCount(i) - gcCounts[i];
                Console.WriteLine("	Gen " + i + ": 		" + count);
            }

            Console.WriteLine();
        }

        private static ulong GetCycleCount()
        {
            ulong cycleCount = 0;
            QueryThreadCycleTime(GetCurrentThread(), ref cycleCount);
            return cycleCount;
        }

        [DllImport("kernel32.dll")]
        [return: MarshalAs(UnmanagedType.Bool)]
        static extern bool QueryThreadCycleTime(IntPtr threadHandle, ref ulong cycleTime);

        [DllImport("kernel32.dll")]
        static extern IntPtr GetCurrentThread();
    }

原文链接：一个简单的性能计数器：CodeTimer

定义一个StringListBuilder用List<string>先将所有字符串保存起来最后转化为字符串数组，再返回字符串

public class StringListBuilder
    {
        private List<string> m_list = new List<string>();

        public StringListBuilder Append(string s)
        {
            this.m_list.Add(s);
            return this;
        }

        public override string ToString()
        {
            return String.Concat(this.m_list.ToArray());
        }
    }

定义一个StrPerformance类用于维护各个字符串处理的方法

 public class StrPerformance
    {
        private static readonly string STR = "0123456789";

        public static string NormalConcat(int count)
        {
            var result = "";
            for (int i = 0; i < count; i++) result += STR;
            return result;
        }

        public static string StringBuilder(int count)
        {
            var builder = new StringBuilder();
            for (int i = 0; i < count; i++) builder.Append(STR);
            return builder.ToString();
        }

        public static string StringListBuilder(int count)
        {
            var builder = new StringListBuilder();
            for (int i = 0; i < count; i++) builder.Append(STR);
            return builder.ToString();
        }

        public static string StringConcat(int count)
        {
            var array = new string[count];
            for (int i = 0; i < count; i++) array[i] = STR;
            return String.Concat(array);
        }
    }

用性能计数器记录各个方法执行过程并且打印出对应的参数

CodeTimer.Initialize();

            for (int i = 2; i <= 2048; i *= 2)
            {
                CodeTimer.Time(
                String.Format("StringListBuilder ({0})", i),
                10000,
                () => StrPerformance.StringListBuilder(i));

                CodeTimer.Time(
                  String.Format("String concat ({0})", i),
                  10000,
                  () => StrPerformance.StringConcat(i));
                CodeTimer.Time(
                    String.Format("StringBuilder ({0})", i),
                    10000,
                    () => StrPerformance.StringBuilder(i));

            }

分析可以得出，广受追捧的StringBuilder性能似乎并不是最好的，String.Concat方法有时候有时候更适合使用。那么为什么String.Concat方法性能那么高，StringBuilder反而比StringListBuilder要差，要知道StringListBuilder还要维护一个集合，通过反编译我们看一下.NET2.0的String.Concat和StringBuilder到底是怎么实现的。

先看在.Net2.0下StringBuilder的Append和ToString方法的实现过程，Append和ToString实现过程。

// System.Text.StringBuilder
public StringBuilder Append(string value)
{
    if (value == null)
    {
        return this;
    }
    string text = this.m_StringValue;
    IntPtr intPtr = Thread.InternalGetCurrentThread();
    if (this.m_currentThread != intPtr)
    {
        text = string.GetStringForStringBuilder(text, text.Capacity);
    }
    int length = text.Length;
    int requiredLength = length + value.Length;
    if (this.NeedsAllocation(text, requiredLength))
    {
        string newString = this.GetNewString(text, requiredLength);
        newString.AppendInPlace(value, length);
        this.ReplaceString(intPtr, newString);
    }
    else
    {
        text.AppendInPlace(value, length);
        this.ReplaceString(intPtr, text);
    }
    return this;
}

public override string ToString()
{
    string currentValue = this.m_currentValue;

    if (this.m_currentThread != Thread.InternalGetCurrentThread())
    {
        return string.InternalCopy(currentValue);
    }

    // 如果这个字符串对象“太空”的话
    if ((2 * currentValue.Length) < currentValue.ArrayLength)
    {
        // 则构造一个“满当”地对象
        return string.InternalCopy(currentValue);
    }

    // 将字符序列最后放一个
    currentValue.ClearPostNullChar();

    // 既然容器已经“暴露”，则设制“当前线程”的标识为Zero，
    // 这意味着下次操作会生成新字符串对象（即新的容器）
    this.m_currentThread = IntPtr.Zero;

    // 如果“还不算太空”，则返回当前对象
    return currentValue;
}

StringBuilder的ToString方法比较有意思，它会判断到底是“构造一个新对象”还是就“直接返回当前容器”给你。如果直接返回当前容器，则可能会浪费较多内存，而如果构造一个新对象，则又会损耗性能。让StringBuilder做出决定的便是容器内部的字符序列占“最大容积”的比例，如果超过一半，则表明“还不算太空”，便选择“时间”，直接返回容器；否则，StringBuilder会认为还是选择“空间”较为合算，便构造一个新对象并返回，至于当前的容器便会和StringBuilder一道被GC回收了。

同时我们可以看到，如果返回了新对象，则当前容器还可以继续在Append时使用，否则Append方法便会因为m_currentValue为Zero而创建新的容器。不过，从ToString的实现中也可以看出，多次调用ToString方法一定返回新建的对象。

而String.Concat又做了什么，String类Concat的具体实现过程

public static string Concat(params string[] values)
{
    int totalLength = 0;

    if (values == null)
    {
        throw new ArgumentNullException("values");
    }

    string[] arrayToConcate = new string[values.Length];

    // 遍历源数组，填充拼接用的数组
    for (int i = 0; i < values.Length; i++)
    {
        string str = values[i];

        // null作为空字符串对待
        arrayToConcate[i] = (str == null) ? Empty : str;

        // 累计字符串总长度
        totalLength += arrayToConcate[i].Length;

        // 如果越界了，抛异常
        if (totalLength < 0)
        {
            throw new OutOfMemoryException();
        }
    }

    // 拼接
    return ConcatArray(arrayToConcate, totalLength);
}

[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)]
private static extern string FastAllocateString(int length);

private static string ConcatArray(string[] values, int totalLength)
{
    // 分配目标字符串所占用的空间（即创建对象）
    string dest = FastAllocateString(totalLength);

    int destPos = 0;

    for (int i = 0; i < values.Length; i++)
    {
        // 不断将源字符串的每个元素填充至目标位置
        FillStringChecked(dest, destPos, values[i]);

        // 偏移量不断更新
        destPos += values[i].Length;
    }

    return dest;
}

private static unsafe void FillStringChecked(string dest, int destPos, string src)
{
    int length = src.Length;
    if (length > (dest.Length - destPos))
    {
        throw new IndexOutOfRangeException();
    }

    fixed (char* chDest = &dest.m_firstChar)
    {
        fixed (char* chSrc = &src.m_firstChar)
        {
            wstrcpy(chDest + destPos, chSrc, length);
        }
    }
}

由于数组中的字符串都是确定的因此事先计算出结果的长度，于是遍历源字符串数组，将它们一个一个复制（或叫做“填充”）到目标字符串的某一段位置上去，因为在此之前已经确定结果的大小，因此直接创建一个“容器”即可，剩下的只是填充数据而已。既然可以不浪费任何一寸空间，也没有任何多余的操作，这也是String.Concat高效的原因。

同样的代码移植到.Net 4.5上会不会还像之前一样String.Concat在处理连接字符串中性能最高

这次StringBuilder又重新回到了我们最初的印象中，在处理多字符串连接的时候StringBuilder是性能最高的，通过和.Net 2.0的实验结果来看StringListBuilder和String Concat的性能变化不大，而似乎StringBuilder的性能提高了一倍，那么在.NET 4.5中StringBuilder的Append方法又做了什么呢，下面我们来看一下.Net 4.5中Append的具体实现过程

 public unsafe StringBuilder Append(string value)
        {
            if (value != null)
            {
                //StringBuilder内维护的一个字符数组
                char[] chunkChars = this.m_ChunkChars;
                int chunkLength = this.m_ChunkLength;
                int length = value.Length;
                int num = chunkLength + length;

                //不必增加m_ChunkChars字符数组的长度
                if (num < chunkChars.Length)
                {
                    if (length <= 2)
                    {
                        if (length > 0)
                        {
                            chunkChars[chunkLength] = value[0];
                        }
                        if (length > 1)
                        {
                            chunkChars[chunkLength + 1] = value[1];
                        }
                    }
                    else
                    {
                        fixed (string text = value)
                        {
                            char* ptr = text;
                            if (ptr != null)
                            {
                                ptr += RuntimeHelpers.OffsetToStringData / 2;
                            }
                            fixed (char* ptr2 = &chunkChars[chunkLength])
                            {
                                string.wstrcpy(ptr2, ptr, length);
                            }
                        }
                    }
                    this.m_ChunkLength = num;
                }
                //增加m_ChunkChars数组的长度
                else
                {
                    this.AppendHelper(value);
                }
            }
            return this;
        }

 private unsafe void AppendHelper(string value)
        {
            fixed (string text = value)
            {
                //去字符串的地址
                char* ptr = text;
                if (ptr != null)
                {
                    ptr += RuntimeHelpers.OffsetToStringData / 2;
                }
                this.Append(ptr, value.Length);
            }
        }

        public unsafe StringBuilder Append(char* value, int valueCount)
        {
            if (valueCount < 0)
            {
                throw new ArgumentOutOfRangeException("valueCount", Environment.GetResourceString("ArgumentOutOfRange_NegativeCount"));
            }
            int num = valueCount + this.m_ChunkLength;
            if (num <= this.m_ChunkChars.Length)
            {
                //把字符串一个一个复制到m_ChunkChars字符数组中
                StringBuilder.ThreadSafeCopy(value, this.m_ChunkChars, this.m_ChunkLength, valueCount);
                this.m_ChunkLength = num;
            }
            else
            {
                int num2 = this.m_ChunkChars.Length - this.m_ChunkLength;
                if (num2 > 0)
                {
                    StringBuilder.ThreadSafeCopy(value, this.m_ChunkChars, this.m_ChunkLength, num2);
                    this.m_ChunkLength = this.m_ChunkChars.Length;
                }
                int num3 = valueCount - num2;
                this.ExpandByABlock(num3);
                StringBuilder.ThreadSafeCopy(value + num2, this.m_ChunkChars, 0, num3);
                this.m_ChunkLength = num3;
            }
            return this;
        }

在分析代码可知在.Net 4.5StringBuilder中内部维护了一个m_ChunkChars字符数组，来避免不断扩容，不断复制的过程所造成的性能消耗，所以StringBuilder性能又成为三者中最高的一个。

看了老赵blog之后，（此处省去一千溢美之词）——只想说一句：“我对阁下的景仰有如滔滔江水，连绵不绝，又如黄河泛滥，一发而不可收拾！