.NET性能优化-使用ValueStringBuilder拼接字符串

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前言

这一次要和大家分享的一个Tips是在字符串拼接场景使用的，我们经常会遇到有很多短小的字符串需要拼接的场景，在这种场景下及其的不推荐使用String.Concat也就是使用+=运算符。

目前来说官方最推荐的方案就是使用StringBuilder来构建这些字符串，那么有什么更快内存占用更低的方式吗？那就是今天要和大家介绍的ValueStringBuilder。

ValueStringBuilder

ValueStringBuilder不是一个公开的API，但是它被大量用于.NET的基础类库中，由于它是值类型的，所以它本身不会在堆上分配，不会有GC的压力。

微软提供的ValueStringBuilder有两种使用方式，一种是自己已经有了一块内存空间可供字符串构建使用。这意味着你可以使用栈空间，也可以使用堆空间甚至非托管堆的空间，这对于GC来说是非常友好的，在高并发情况下能大大降低GC压力。

// 构造函数：传入一个Span的Buffer数组 public ValueStringBuilder(Span<char> initialBuffer);// 使用方式： // 栈空间 var vsb = new ValueStringBuilder(stackalloc char[512]); // 普通数租 var vsb = new ValueStringBuilder(new char[512]); // 使用非托管堆 var length = 512; var ptr = NativeMemory.Alloc((nuint)(512 * Unsafe.SizeOf<char>())); var span = new Span<char>(ptr, length); var vsb = new ValueStringBuilder(span); ..... NativeMemory.Free(ptr); // 非托管堆用完一定要Free

另外一种方式是指定一个容量，它会从默认的ArrayPool的char对象池中获取缓冲空间，因为使用的是对象池，所以对于GC来说也是比较友好的，千万需要注意，池中的对象一定要记得归还。

// 传入预计的容量 public ValueStringBuilder(int initialCapacity) { // 从对象池中获取缓冲区 _arrayToReturnToPool = ArrayPool<char>.Shared.Rent(initialCapacity); ...... }

那么我们就来比较一下使用+=、StringBuilder和ValueStringBuilder这几种方式的性能吧。

// 一个简单的类 public class SomeClass { public int Value1; public int Value2; public float Value3; public double Value4; public string? Value5; public decimal Value6; public DateTime Value7; public TimeOnly Value8; public DateOnly Value9; public int[]? Value10; } // Benchmark类 [MemoryDiagnoser] [HtmlExporter] [Orderer(SummaryOrderPolicy.FastestToSlowest)] public class StringBuilderBenchmark { private static readonly SomeClass Data; static StringBuilderBenchmark() { var baseTime = DateTime.Now; Data = new SomeClass { Value1 = 100, Value2 = 200, Value3 = 333, Value4 = 400, Value5 = string.Join('-', Enumerable.Range(0, 10000).Select(i => i.ToString())), Value6 = 655, Value7 = baseTime.AddHours(12), Value8 = TimeOnly.MinValue, Value9 = DateOnly.MaxValue, Value10 = Enumerable.Range(0, 5).ToArray() }; } // 使用我们熟悉的StringBuilder [Benchmark(Baseline = true)] public string StringBuilder() { var data = Data; var sb = new StringBuilder(); sb.Append("Value1:"); sb.Append(data.Value1); if (data.Value2 > 10) { sb.Append(" ,Value2:"); sb.Append(data.Value2); } sb.Append(" ,Value3:"); sb.Append(data.Value3); sb.Append(" ,Value4:"); sb.Append(data.Value4); sb.Append(" ,Value5:"); sb.Append(data.Value5); if (data.Value6 > 20) { sb.Append(" ,Value6:"); sb.AppendFormat("{0:F2}", data.Value6); } sb.Append(" ,Value7:"); sb.AppendFormat("{0:yyyy-MM-dd HH:mm:ss}", data.Value7); sb.Append(" ,Value8:"); sb.AppendFormat("{0:HH:mm:ss}", data.Value8); sb.Append(" ,Value9:"); sb.AppendFormat("{0:yyyy-MM-dd}", data.Value9); sb.Append(" ,Value10:"); if (data.Value10 is null or {Length: 0}) return sb.ToString(); for (int i = 0; i < data.Value10.Length; i++) { sb.Append(data.Value10[i]); } return sb.ToString(); } // StringBuilder使用Capacity [Benchmark] public string StringBuilderCapacity() { var data = Data; var sb = new StringBuilder(20480); sb.Append("Value1:"); sb.Append(data.Value1); if (data.Value2 > 10) { sb.Append(" ,Value2:"); sb.Append(data.Value2); } sb.Append(" ,Value3:"); sb.Append(data.Value3); sb.Append(" ,Value4:"); sb.Append(data.Value4); sb.Append(" ,Value5:"); sb.Append(data.Value5); if (data.Value6 > 20) { sb.Append(" ,Value6:"); sb.AppendFormat("{0:F2}", data.Value6); } sb.Append(" ,Value7:"); sb.AppendFormat("{0:yyyy-MM-dd HH:mm:ss}", data.Value7); sb.Append(" ,Value8:"); sb.AppendFormat("{0:HH:mm:ss}", data.Value8); sb.Append(" ,Value9:"); sb.AppendFormat("{0:yyyy-MM-dd}", data.Value9); sb.Append(" ,Value10:"); if (data.Value10 is null or {Length: 0}) return sb.ToString(); for (int i = 0; i < data.Value10.Length; i++) { sb.Append(data.Value10[i]); } return sb.ToString(); } // 直接使用+=拼接字符串 [Benchmark] public string StringConcat() { var str = ""; var data = Data; str += ("Value1:"); str += (data.Value1); if (data.Value2 > 10) { str += " ,Value2:"; str += data.Value2; } str += " ,Value3:"; str += (data.Value3); str += " ,Value4:"; str += (data.Value4); str += " ,Value5:"; str += (data.Value5); if (data.Value6 > 20) { str += " ,Value6:"; str += data.Value6.ToString("F2"); } str += " ,Value7:"; str += data.Value7.ToString("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"); str += " ,Value8:"; str += data.Value8.ToString("HH:mm:ss"); str += " ,Value9:"; str += data.Value9.ToString("yyyy-MM-dd"); str += " ,Value10:"; if (data.Value10 is not null && data.Value10.Length > 0) { for (int i = 0; i < data.Value10.Length; i++) { str += (data.Value10[i]); } } return str; } // 使用栈上分配的ValueStringBuilder [Benchmark] public string ValueStringBuilderOnStack() { var data = Data; Span<char> buffer = stackalloc char[20480]; var sb = new ValueStringBuilder(buffer); sb.Append("Value1:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value1); if (data.Value2 > 10) { sb.Append(" ,Value2:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value2); } sb.Append(" ,Value3:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value3); sb.Append(" ,Value4:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value4); sb.Append(" ,Value5:"); sb.Append(data.Value5); if (data.Value6 > 20) { sb.Append(" ,Value6:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value6, "F2"); } sb.Append(" ,Value7:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value7, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"); sb.Append(" ,Value8:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value8, "HH:mm:ss"); sb.Append(" ,Value9:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value9, "yyyy-MM-dd"); sb.Append(" ,Value10:"); if (data.Value10 is not null && data.Value10.Length > 0) { for (int i = 0; i < data.Value10.Length; i++) { sb.AppendSpanFormattable(data.Value10[i]); } } return sb.ToString(); } // 使用ArrayPool 堆上分配的StringBuilder [Benchmark] public string ValueStringBuilderOnHeap() { var data = Data; var sb = new ValueStringBuilder(20480); sb.Append("Value1:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value1); if (data.Value2 > 10) { sb.Append(" ,Value2:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value2); } sb.Append(" ,Value3:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value3); sb.Append(" ,Value4:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value4); sb.Append(" ,Value5:"); sb.Append(data.Value5); if (data.Value6 > 20) { sb.Append(" ,Value6:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value6, "F2"); } sb.Append(" ,Value7:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value7, "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"); sb.Append(" ,Value8:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value8, "HH:mm:ss"); sb.Append(" ,Value9:"); sb.AppendSpanFormattable(data.Value9, "yyyy-MM-dd"); sb.Append(" ,Value10:"); if (data.Value10 is not null && data.Value10.Length > 0) { for (int i = 0; i < data.Value10.Length; i++) { sb.AppendSpanFormattable(data.Value10[i]); } } return sb.ToString(); }}

结果如下所示。

从上图的结果中，我们可以得出如下的结论。

使用StringConcat是最慢的，这种方式是无论如何都不推荐的。
使用StringBuilder要比使用StringConcat快6.5倍，这是推荐的方法。
设置了初始容量的StringBuilder要比直接使用StringBuilder快25%，正如我在你应该为集合类型设置初始大小一样，设置初始大小绝对是相当推荐的做法。
栈上分配的ValueStringBuilder比StringBuilder要快50%，比设置了初始容量的StringBuilder还快25%，另外它的GC次数是最低的。
堆上分配的ValueStringBuilder比StringBuilder要快55%，他的GC次数稍高与栈上分配。

从上面的结论中，我们可以发现ValueStringBuilder的性能非常好，就算是在栈上分配缓冲区，性能也比StringBuilder快25%。

源码解析

ValueStringBuilder的源码不长，我们挑几个重要的方法给大家分享一下，部分源码如下。

// 使用 ref struct 该对象只能在栈上分配 public ref struct ValueStringBuilder { // 如果从ArrayPool里分配buffer 那么需要存储一下 // 以便在Dispose时归还 private char[]? _arrayToReturnToPool; // 暂存外部传入的buffer private Span<char> _chars; // 当前字符串长度 private int _pos; // 外部传入buffer public ValueStringBuilder(Span<char> initialBuffer) { // 使用外部传入的buffer就不使用从pool里面读取的了 _arrayToReturnToPool = null; _chars = initialBuffer; _pos = 0; } public ValueStringBuilder(int initialCapacity) { // 如果外部传入了capacity 那么从ArrayPool里面获取 _arrayToReturnToPool = ArrayPool<char>.Shared.Rent(initialCapacity); _chars = _arrayToReturnToPool; _pos = 0; } // 返回字符串的Length 由于Length可读可写 // 所以重复使用ValueStringBuilder只需将Length设置为0 public int Length { get => _pos; set { Debug.Assert(value >= 0); Debug.Assert(value <= _chars.Length); _pos = value; } } ...... [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)] public void Append(char c) { // 添加字符非常高效直接设置到对应Span位置即可 int pos = _pos; if ((uint) pos < (uint) _chars.Length) { _chars[pos] = c; _pos = pos + 1; } else { // 如果buffer空间不足，那么会走 GrowAndAppend(c); } } [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)] public void Append(string? s) { if (s == null) { return; } // 追加字符串也是一样的高效 int pos = _pos; // 如果字符串长度为1 那么可以直接像追加字符一样 if (s.Length == 1 && (uint) pos < (uint) _chars .Length) { _chars[pos] = s[0]; _pos = pos + 1; } else { // 如果是多个字符那么使用较慢的方法 AppendSlow(s); } } private void AppendSlow(string s) { // 追加字符串空间不够先扩容 // 然后使用Span复制相当高效 int pos = _pos; if (pos > _chars.Length - s.Length) { Grow(s.Length); } s #if !NETCOREAPP .AsSpan() #endif .CopyTo(_chars.Slice(pos)); _pos += s.Length; } // 对于需要格式化的对象特殊处理 [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)] public void AppendSpanFormattable<T>(T value, string? format = null, IFormatProvider? provider = null) where T : ISpanFormattable { // ISpanFormattable非常高效 if (value.TryFormat(_chars.Slice(_pos), out int charsWritten, format, provider)) { _pos += charsWritten; } else { Append(value.ToString(format, provider)); } } [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)] private void GrowAndAppend(char c) { // 单个字符扩容在添加 Grow(1); Append(c); } // 扩容方法 [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)] private void Grow(int additionalCapacityBeyondPos) { Debug.Assert(additionalCapacityBeyondPos > 0); Debug.Assert(_pos > _chars.Length - additionalCapacityBeyondPos, "Grow called incorrectly, no resize is needed."); // 同样也是2倍扩容，默认从对象池中获取buffer char[] poolArray = ArrayPool<char>.Shared.Rent((int) Math.Max((uint) (_pos + additionalCapacityBeyondPos), (uint) _chars.Length * 2)); _chars.Slice(0, _pos).CopyTo(poolArray); char[]? toReturn = _arrayToReturnToPool; _chars = _arrayToReturnToPool = poolArray; if (toReturn != null) { // 如果原本就是使用的对象池那么必须归还 ArrayPool<char>.Shared.Return(toReturn); } } // [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)] public void Dispose() { char[]? toReturn = _arrayToReturnToPool; this = default; // 为了安全，在释放时置空当前对象 if (toReturn != null) { // 一定要记得归还对象池 ArrayPool<char>.Shared.Return(toReturn); } } }

从上面的源码我们可以总结出ValueStringBuilder的几个特征：

比起StringBuilder来说，实现方式非常简单。
一切都是为了高性能，比如各种Span的用法，各种内联参数，以及使用对象池等等。
内存占用非常低，它本身就是结构体类型，另外它是ref struct，意味着不会被装箱，不会在堆上分配。

适用场景

ValueStringBuilder是一种高性能的字符串创建方式，针对于不同的场景，可以有不同的使用方式。

1.非常高频次的字符串拼接的场景，并且字符串长度较小，此时可以使用栈上分配的ValueStringBuilder。

大家都知道现在ASP.NET Core性能非常好，在其依赖的内部库UrlBuilder中，就使用栈上分配，因为栈上分配在当前方法结束后内存就会回收，所以不会造成任何GC压力。

2.非常高频次的字符串拼接场景，但是字符串长度不可控，此时使用ArrayPool指定容量的ValueStringBuilder。比如在.NET BCL库中有很多场景使用，比如动态方法的ToString实现。从池中分配虽然没有栈上分配那么高效，但是一样的能降低内存占用和GC压力。

3. 非常高频次的字符串拼接场景，但是字符串长度可控，此时可以栈上分配和ArrayPool分配联合使用，比如正则表达式解析类中，如果字符串长度较小那么使用栈空间，较大那么使用ArrayPool。

需要注意的场景

1.在async\await中无法使用ValueStringBuilder。原因大家也都知道，因为ValueStringBuilder是ref struct，它只能在栈上分配，async\await会编译成状态机拆分await前后的方法，所以ValueStringBuilder不好在方法内传递，不过编译器也会警告。

2.无法将ValueStringBuilder作为返回值返回，因为在当前栈上分配，方法结束后它会被释放，返回它将指向未知的地址。这个编译器也会警告。

3.如果要将ValueStringBuilder传递给其它方法，那么必须使用ref传递，否则发生值拷贝会存在多个实例。这个编译器不会警告，但是你必须非常注意。

4. 如果使用栈上分配，那么Buffer大小控制在5KB内比较稳妥，至于为什么需要这样，后面有机会在讲一讲。