.NET性能优化-复用StringBuilder

在之前的文章中，我们介绍了dotnet在字符串拼接时可以使用的一些性能优化技巧。比如：

• 为StringBuilder设置Buffer初始大小
• 使用ValueStringBuilder等等
  不过这些都多多少少有一些局限性，比如StringBuilder还是会存在new StringBuilder()这样的对象分配（包括内部的Buffer）。ValueStringBuilder无法用于async/await的上下文等等。都不够的灵活。

那么有没有一种方式既能像StringBuilder那样用于async/await的上下文中，又能减少内存分配呢？

其实这可以用到存在很久的一个Tips，那就是想办法复用StringBuilder。目前来说复用StringBuilder推荐两种方式：

• 使用ObjectPool来创建StringBuilder的对象池
• 如果不想单独创建一个对象池，那么可以使用StringBuilderCache

使用ObjectPool复用

这种方式估计很多小伙伴都比较熟悉，在.NET Core的时代，微软提供了非常方便的对象池类ObjectPool，因为它是一个泛型类，可以对任何类型进行池化。使用方式也非常的简单，只需要在引入如下nuget包：

dotnet add package Microsoft.Extensions.ObjectPool

Nuget包中提供了默认的StringBuilder池化策略StringBuilderPooledObjectPolicy和CreateStringBuilderPool()方法，我们可以直接使用它来创建一个ObjectPool：

var provider = new DefaultObjectPoolProvider();
// 配置池中StringBuilder初始容量为256
// 最大容量为8192，如果超过8192则不返回池中，让GC回收
var pool = provider.CreateStringBuilderPool(256, 8192);

var builder = pool.Get();
try
{	        
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		builder.Append(i);
	}
	builder.ToString().Dump();
}
finally
{
	// 将builder归还到池中
	pool.Return(builder);
}

运行结果如下图所示：

当然，我们在ASP.NET Core等环境中可以结合微软的依赖注入框架使用它，为你的项目添加如下NuGet包：

dotnet add package Microsoft.Extensions.DependencyInjection

然后就可以写下面这样的代码，从容器中获取ObjectPoolProvider达到同样的效果：

var objectPool = new ServiceCollection()
	.AddSingleton<ObjectPoolProvider, DefaultObjectPoolProvider>()
	.BuildServiceProvider()
	.GetRequiredService<ObjectPoolProvider>()
	.CreateStringBuilderPool(256, 8192);

var builder = objectPool.Get();
try
{
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		builder.Append(i);
	}
	builder.ToString().Dump();
}
finally
{
	objectPool.Return(builder);
}

更加详细的内容可以阅读蒋老师关于ObjectPool的系列文章。

使用StringBuilderCache

另外一个方案就是在.NET中存在很久的类，如果大家翻阅过.NET的一些代码，在有字符串拼接的场景可以经常见到它的身影。但是它和ValueStringBuilder一样不是公开可用的，这个类叫StringBuilderCache。

下方所示就是它的源码，源码链接点击这里：

namespace System.Text
{
    /// <summary>为每个线程提供一个缓存的可复用的StringBuilder的实例</summary>
    internal static class StringBuilderCache
    {
        // 这个值360是在与性能专家的讨论中选择的，是在每个线程使用尽可能少的内存和仍然覆盖VS设计者启动路径上的大部分短暂的StringBuilder创建之间的折衷。
        internal const int MaxBuilderSize = 360;
        private const int DefaultCapacity = 16; // == StringBuilder.DefaultCapacity

        [ThreadStatic]
        private static StringBuilder? t_cachedInstance;

        // <summary>获得一个指定容量的StringBuilder.</summary>。
        // <remarks>如果一个适当大小的StringBuilder被缓存了，它将被返回并清空缓存。
        public static StringBuilder Acquire(int capacity = DefaultCapacity)
        {
            if (capacity <= MaxBuilderSize)
            {
                StringBuilder? sb = t_cachedInstance;
                if (sb != null)
                {
                    // 当请求的大小大于当前容量时，
                    // 通过获取一个新的StringBuilder来避免Stringbuilder块的碎片化
                    if (capacity <= sb.Capacity)
                    {
                        t_cachedInstance = null;
                        sb.Clear();
                        return sb;
                    }
                }
            }

            return new StringBuilder(capacity);
        }

        /// <summary>如果指定的StringBuilder不是太大，就把它放在缓存中</summary>
        public static void Release(StringBuilder sb)
        {
            if (sb.Capacity <= MaxBuilderSize)
            {
                t_cachedInstance = sb;
            }
        }

        /// <summary>ToString()的字符串生成器，将其释放到缓存中，并返回生成的字符串。</summary>
        public static string GetStringAndRelease(StringBuilder sb)
        {
            string result = sb.ToString();
            Release(sb);
            return result;
        }
    }
}

这里我们又复习了ThreadStatic特性，用于存储线程唯一的对象。大家看到这个设计就知道，它是存在于每个线程的StringBuilder缓存，意味着只要是一个线程中需要使用的代码都可以复用它，不过它的是复用小于360个字符StringBuilder，这个能满足绝大多数场景的使用，当然大家也可以根据自己项目实际情况，调整它的大小。

要使用的话，很简单，我们只需要把这个类拷贝出来，变成一个公共的类，然后使用相同的测试代码即可。

跑分及总结

按照惯例，跑个分看看，这里模拟的是小字符串拼接场景：

using System.Text;
using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Order;
using BenchmarkDotNet.Running;
using Microsoft.Extensions.ObjectPool;

BenchmarkRunner.Run<Bench>();

[MemoryDiagnoser]  
[HtmlExporter]  
[Orderer(SummaryOrderPolicy.FastestToSlowest)]  
public class Bench
{
	private readonly int[] _arr = Enumerable.Range(0,50).ToArray();
	
	[Benchmark(Baseline = true)] 
	public string UseStringBuilder()
	{
		return RunBench(new StringBuilder(16));
	}
	
	[Benchmark] 
	public string UseStringBuilderCache()
	{
		var builder = StringBuilderCache.Acquire(16);
		try
		{
			return RunBench(builder);
		}
		finally
		{
			StringBuilderCache.Release(builder);
		}
	}

	private readonly ObjectPool<StringBuilder> _pool = new DefaultObjectPoolProvider().CreateStringBuilderPool(16, 256);
	[Benchmark] 
	public string UseStringBuilderPool()
	{
		var builder = _pool.Get();
		try
		{
			return RunBench(builder);
		}
		finally
		{
			_pool.Return(builder);
		}
	}

	public string RunBench(StringBuilder buider)
	{
		for (int i = 0; i < _arr.Length; i++)
		{
			buider.Append(i);
		}
		return buider.ToString();
	}
}

结果如下所示，和我们想象中的差不多。

根据实际的高性能编程来说：

• 代码中没有async/await最佳是使用ValueStringBuilder，前面文章也说明了这一点
• 代码中尽量复用StringBuilder，不要每次都new()创建它
• 在方便依赖注入的场景，可以多使用StringBuilderPool这个池化类
• 在不方便依赖注入的场景，使用StringBuilderCache会更加方便

另外StringBuilderCache的MaxBuilderSize和StringBuilderPool的MaxSize都快可以根据项目类型和使用调整，像我们实际中一般都会调整到256KB甚至更大。

附录

本文源码链接：https://github.com/InCerryGit/RecycleableStringBuilderExample