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[C#技巧]為什么List<struct>比List<class>快15倍

作者:admin 時(shí)間:2023-5-6 17:30:29 瀏覽:

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，C#中 List<Struct> 的分配速度比 List<Class> 快 15 倍，這是一個(gè)令人驚詫的結(jié)果，但我想知道為什么會(huì)這樣！

struct比class快15倍

下面是測(cè)試代碼：

public class PointClass
{
    public int X { get; set; }
    public int Y { get; set; }
}

public struct PointStruct
{
    public int X { get; set; }
    public int Y { get; set; }
}

[Benchmark]
public void ListOfClassesTest()
{
    const int length = 1000000;

    var items = new List<PointClass>(length);

    for (int i = 0; i < length; i++)
        items.Add(new PointClass() { X = i, Y = i });
}

[Benchmark]
public void ListOfStructsTest()
{
    const int length = 1000000;

    var items = new List<PointStruct>(length);

    for (int i = 0; i < length; i++)
        items.Add(new PointStruct() { X = i, Y = i });
}

ListOfStructsTest和ListOfClassesTest方法幾乎相同。第一個(gè)方法分配一百萬(wàn)個(gè)PointClass實(shí)例并將它們添加到列表中，而第二個(gè)方法分配一百萬(wàn)個(gè)PointStruct實(shí)例并將它們也添加到列表中。類型PointClass和PointStruct具有相同的成員，但唯一的小而關(guān)鍵的區(qū)別是，PointClass是一個(gè)類，而是PointStruct一個(gè)結(jié)構(gòu)。

測(cè)試結(jié)果非常令人印象深刻：

ListOfStructsTest方法比ListOfClassesTest方法快 15 倍以上。

下面我們?cè)囍治鲆幌聻槭裁磿?huì)出現(xiàn)如此巨大的時(shí)差。

在堆上分配引用類型實(shí)例和結(jié)構(gòu)實(shí)例的區(qū)別

對(duì)我們來(lái)說(shuō)，第一件事是理解在堆上分配一個(gè)引用類型實(shí)例和在堆棧上分配一個(gè)結(jié)構(gòu)實(shí)例之間的區(qū)別。

public void Test() 
{ 
   var obj = new object(); //引用類型分配
   
   int x = 12; //值類型分配
}

在托管堆中為引用類型分配內(nèi)存的時(shí)間通常是快速操作，對(duì)象被連續(xù)分配和存儲(chǔ)。公共語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)具有指向內(nèi)存中第一個(gè)空閑空間的指針，分配新對(duì)象涉及將新對(duì)象的大小添加到指針。

將對(duì)象放在托管堆上后，其地址將寫回在堆棧上創(chuàng)建的引用obj。

總的來(lái)說(shuō)整個(gè)過(guò)程還是挺便宜的，然而，為引用類型的對(duì)象分配內(nèi)存的過(guò)程并不總是那么容易，并且可能涉及額外的繁重部分。

如果引用類型大于 85K 字節(jié)，運(yùn)行時(shí)將花費(fèi)更多時(shí)間在大對(duì)象堆中尋找合適的位置來(lái)存儲(chǔ)對(duì)象，因?yàn)槟抢锏膬?nèi)存是碎片化的（空閑塊或地址空間中的“空洞”）。

在小對(duì)象堆中沒(méi)有更多可用空間來(lái)存儲(chǔ)應(yīng)用程序請(qǐng)求的對(duì)象的情況下，引用類型對(duì)象分配很慢。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，公共語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)需要運(yùn)行垃圾收集過(guò)程。如果垃圾收集器沒(méi)有釋放足夠的內(nèi)存，運(yùn)行時(shí)會(huì)請(qǐng)求額外的虛擬內(nèi)存頁(yè)面。

如何在堆棧上分配一個(gè)值類型實(shí)例？

為值類型分配內(nèi)存幾乎是即時(shí)操作，分配時(shí)間幾乎不依賴于值類型的大小。運(yùn)行時(shí)唯一應(yīng)該做的就是創(chuàng)建一個(gè)適當(dāng)大小的堆棧幀來(lái)存儲(chǔ)值類型和修改堆棧指針。

要點(diǎn)是，將值類型的實(shí)例放在堆棧上是快速的，更重要的是，與在堆上分配引用類型對(duì)象相比，它在時(shí)間上是一個(gè)確定性的過(guò)程。

實(shí)例分析

現(xiàn)在讓我們回到我們的例子。

當(dāng)一個(gè)引用類型的一百萬(wàn)個(gè)實(shí)例被分配時(shí)，它們被一個(gè)一個(gè)地推入托管堆，并且引用被存儲(chǔ)回集合實(shí)例。實(shí)際上，會(huì)有100萬(wàn)+1個(gè)對(duì)象進(jìn)入內(nèi)存。

然而，當(dāng)一個(gè)值類型的一百萬(wàn)個(gè)實(shí)例被分配時(shí)，只有一個(gè)對(duì)象被推入托管堆，它是一個(gè)集合的實(shí)例。一百萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)將嵌入到List<T>實(shí)例中。創(chuàng)建實(shí)例后，運(yùn)行時(shí)唯一要做的就是用數(shù)據(jù)填充List<T>。

在為大型集合選擇結(jié)構(gòu)而不是類時(shí)，開(kāi)發(fā)人員不僅受益于快速分配時(shí)間，還受益于發(fā)布時(shí)間。

如果開(kāi)發(fā)人員分配了一百萬(wàn)個(gè)PointClass實(shí)例，在“標(biāo)記和清理”階段，垃圾收集器將不得不掃描一百萬(wàn)個(gè)對(duì)象并檢查每個(gè)對(duì)象是否還有引用。然后，在“壓縮”階段，垃圾收集器將不得不移動(dòng)一百萬(wàn)個(gè)對(duì)象。最終，存儲(chǔ)在List<PointClass>實(shí)例中的地址應(yīng)該更新為新地址。這是很多工作。

但對(duì)于垃圾收集器而言，當(dāng)開(kāi)發(fā)人員分配一百萬(wàn)個(gè)List<PointStruct> 實(shí)例時(shí)情況會(huì)好得多，因?yàn)槔占鞅仨毷褂猛泄芏阎械奈ㄒ粚?shí)例PointStruct。

總結(jié)

結(jié)構(gòu)（struct）可以比類（class）更高效，但在用struct或其他方式替換class關(guān)鍵字之前，請(qǐng)始終仔細(xì)分析你的具體情況。程序員的工作不是盲目地遵循建議或最佳實(shí)踐，而是選擇最合適的工具、方法、方式來(lái)以最佳方式解決各自的獨(dú)特案例。

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