[聚合文章] 是什么优化让 .NET Core 性能飙升？

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c# 2017-07-17 7 阅读
原文链接: https://segmentfault.com/a/1190000010216829

.NET Core（开放源代码，跨平台，x-copy可部署等）有许多令人兴奋的方面，其中最值得称赞的就是其性能了。

感谢所有社区开发人员对.NET Core做出的贡献，其中的许多改进也将在接下来的几个版本中引入.NET Framework。

本文主要介绍.NET Core中的一些性能改进，特别是.NET Core 2.0中的，重点介绍各个核心库的一些示例。

集合

集合是任何应用程序的基石，同时.NET库中也有大量集合。.NET库中的一些改进是为了消除开销，例如简化操作以便更好的实现内联，减少指令数量等。例如，下面的这个使用Q<T>的例子：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Collections.Generic;
public class Test
{

public static void Main()
{
    while (true)
    {
        var q = new Queue<int>();
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < 100_000_000; i++)
        {
            q.Enqueue(i);
            q.Dequeue();
        }
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
PR dotnet/corefx #2515移除了这些操作中相对复杂的模数运算，在个人计算机，以上代码在.NET 4.7上产生如下输出：

00：00：00.9392595
00：00：00.9390453
00：00：00.9455784
00：00：00.9508294
00：00：01.0107745
而使用.NET Core 2.0则会产生如下输出：

00：00：00.5514887
00：00：00.5662477
00：00：00.5627481
00：00：00.5685286
00：00：00.5262378
由于这是挂钟时间所节省的，较小的值计算的更快，这也表明吞吐量增加了约2倍！

在其他情况下，通过更改操作算法的复杂性，可以更快地进行操作。编写软件时，最初编写的一个简单实现，虽然是正确的，但是这样实现往往不能表现出最佳的性能，直到特定的场景出现时，才考虑如何提高性能。例如，SortedSet <T>的ctor最初以相对简单的方式编写，由于使用O（N ^ 2）算法来处理重复项，因此不能很好地处理复杂性。该算法在PRnetnet / corefx＃1955中的.NET Core中得到修复。以下简短的程序说明了修复的区别：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;

public class Test
{

public static void Main()
{
    var sw = Stopwatch.StartNew();
    var ss = new SortedSet<int>(Enumerable.Repeat(42, 400_000));
    Console.WriteLine(sw.Elapsed);
}

}
在个人电脑的.NET Framework上，这段代码需要大约7.7秒执行完成。在.NET Core 2.0上，减少到大约0.013s（改进改变了算法的复杂性，集合越大，节省的时间越多）。

或者在SortedSet <T>上考虑这个例子：

public class Test
{

static int s_result;

public static void Main()
{
    while (true)
    {
        var s = new SortedSet<int>();
        for (int n = 0; n < 100_000; n++)
        {
            s.Add(n);
        }

        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < 10_000_000; i++)
        {
            s_result = s.Min;
        }
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
.NET 4.7中Min和Max的实现遍布SortedSet <T>的整个树，但是只需要找到最小或最大值即可，因为实现可以只遍历相关的节点。PR dotnet / corefx＃11968修复了.NET Core实现。在.NET 4.7中，此示例生成如下结果：

00：00：01.1427246
00：00：01.1295220
00：00：01.1350696
00：00：01.1502784
00：00：01.1677880
而在.NET Core 2.0中，我们得到如下结果：

00：00：00.0861391
00：00：00.0861183
00：00：00.0866616
00：00：00.0848434
00：00：00.0860198
显示出相当大的时间下降和吞吐量的增加。

即使像List <T>这样的主工作核心也有改进的空间。考虑下面的例子：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Collections.Generic;
public class Test
{

public static void Main()
{
    while (true)
    {
        var l = new List<int>();
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < 100_000_000; i++)
        {
            l.Add(i);
            l.RemoveAt(0);
        }
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
在.NET 4.7中，会得到的结果如下：

00：00：00.4434135
00：00：00.4394329
00：00：00.4496867
00：00：00.4496383
00：00：00.4515505
和.NET Core 2.0，得到：

00：00：00.3213094
00：00：00.3211772
00：00：00.3179631
00：00：00.3198449
00：00：00.3164009
可以肯定的是，在0.3秒内可以实现1亿次这样的添加并从列表中删除的操作，这表明操作开始并不慢。但是，通过执行一个应用程序，列表通常会添加到很多，同时也节省了总时间消耗。

这些类型的集合改进扩展不仅仅是System.Collections.Generic命名空间; System.Collections.Concurrent也有很多改进。事实上，.NET Core 2.0上的ConcurrentQueue <T>和ConcurrentBag <T>完全重写了。下面看看一个基本的例子，使用ConcurrentQueue <T>但没有任何并发，例子中使用ConcurrentQueue <T>代替了Queue<T>：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Collections.Concurrent;

public class Test
{

public static void Main()
{
    while (true)
    {
        var q = new ConcurrentQueue<int>();
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < 100_000_000; i++)
        {
            q.Enqueue(i);
            q.TryDequeue(out int _);
        }
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
在个人电脑上，.NET 4.7产生的输出如下：

00：00：02.6485174
00：00：02.6144919
00：00：02.6699958
00：00：02.6441047
00：00：02.6255135
显然，.NET 4.7上的ConcurrentQueue <T>示例比.NET 4.7中的Queue <T>版本慢，因为ConcurrentQueue <T>需要采用同步来确保是否安全使用。但是，更有趣的比较是当在.NET Core 2.0上运行相同的代码时会发生什么：

00：00：01.7700190
00：00：01.8324078
00：00：01.7552966
00：00：01.7518632
00：00：01.7560811
这表明当将.NET Core 2.0切换到30％时，ConcurrentQueue <T>的吞吐量没有任何并发​​性提高。但是实施中的变化提高了序列化的吞吐量，甚至更多地减少了使用队列的生产和消耗之间的同步，这可能对吞吐量有更明显的影响。请考虑以下代码：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Collections.Concurrent;
using System.Threading.Tasks;
public class Test
{

public static void Main()
{
    while (true)
    {
        const int Items = 100_000_000;
        var q = new ConcurrentQueue<int>();
        var sw = Stopwatch.StartNew();

        Task consumer = Task.Run(() =>
        {
            int total = 0;
            while (total < Items) if (q.TryDequeue(out int _)) total++;
        });
        for (int i = 0; i < Items; i++) q.Enqueue(i);
        consumer.Wait();

        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
在.NET 4.7中，个人计算机输出如下结果：

00：00：06.1366044
00：00：05.7169339
00：00：06.3870274
00：00：05.5487718
00：00：06.6069291
而使用.NET Core 2.0，会得到以下结果：

00：00：01.2052460
00：00：01.5269184
00：00：01.4638793
00：00：01.4963922
00：00：01.4927520
这是一个3.5倍的吞吐量的增长。不但CPU效率提高了， 而且内存分配也大大减少。下面的例子主要观察GC集合的数量，而不是挂钟时间：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Collections.Concurrent;
public class Test
{

public static void Main()
{
    while (true)
    {
        var q = new ConcurrentQueue<int>();
        int gen0 = GC.CollectionCount(0), gen1 = GC.CollectionCount(1), gen2 = GC.CollectionCount(2);
        for (int i = 0; i < 100_000_000; i++)
        {
            q.Enqueue(i);
            q.TryDequeue(out int _);
        }
        Console.WriteLine($"Gen0={GC.CollectionCount(0) - gen0} Gen1={GC.CollectionCount(1) - gen1} Gen2={GC.CollectionCount(2) - gen2}");
    }
}

}
在.NET 4.7中，得到以下输出：

Gen0 = 162 Gen1 = 80 Gen2 = 0
Gen0 = 162 Gen1 = 81 Gen2 = 0
Gen0 = 162 Gen1 = 81 Gen2 = 0
Gen0 = 162 Gen1 = 81 Gen2 = 0
Gen0 = 162 Gen1 = 81 Gen2 = 0
而使用.NET Core 2.0，会得到如下输出：

Gen0 = 0 Gen1 = 0 Gen2 = 0
Gen0 = 0 Gen1 = 0 Gen2 = 0
Gen0 = 0 Gen1 = 0 Gen2 = 0
Gen0 = 0 Gen1 = 0 Gen2 = 0
Gen0 = 0 Gen1 = 0 Gen2 = 0
.NET 4.7中的实现使用了固定大小的数组链表，一旦固定数量的元素被添加到每个数组中，就会被丢弃， 这有助于简化实现，但也会导致生成大量垃圾。在.NET Core 2.0中，新的实现仍然使用链接在一起的链接列表，但是随着新的片段的添加，这些片段的大小会增加，更重要的是使用循环缓冲区，只有在前一个片段完全结束时，新片段才会增加。这种分配的减少可能对应用程序的整体性能产生相当大的影响。

ConcurrentBag <T>也有类似改进。ConcurrentBag <T>维护thread-local work-stealing队列，使得添加到的每个线程都有自己的队列。在.NET 4.7中，这些队列被实现为每个元素占据一个节点的链接列表，这意味着对该包的任何添加都会导致分配。在.NET Core 2.0中，这些队列是数组，这意味着除了增加阵列所涉及的均摊成本之外，增加的还是无需配置的。以下可以看出：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Collections.Concurrent;
public class Test
{

public static void Main()
{
    while (true)
    {
        var q = new ConcurrentBag<int>() { 1, 2 };
        var sw = new Stopwatch();

        int gen0 = GC.CollectionCount(0), gen1 = GC.CollectionCount(1), gen2 = GC.CollectionCount(2);
        sw.Start();

        for (int i = 0; i < 100_000_000; i++)
        {
            q.Add(i);
            q.TryTake(out int _);
        }

        sw.Stop();
        Console.WriteLine($"Elapsed={sw.Elapsed} Gen0={GC.CollectionCount(0) - gen0} Gen1={GC.CollectionCount(1) - gen1} Gen2={GC.CollectionCount(2) - gen2}");
    }
}

}
在.NET 4.7中，个人计算机上产生以下输出：

Elapsed=00:00:06.5672723 Gen0=953 Gen1=0 Gen2=0
Elapsed=00:00:06.4829793 Gen0=954 Gen1=1 Gen2=0
Elapsed=00:00:06.9008532 Gen0=954 Gen1=0 Gen2=0
Elapsed=00:00:06.6485667 Gen0=953 Gen1=1 Gen2=0
Elapsed=00:00:06.4671746 Gen0=954 Gen1=1 Gen2=0
而使用.NET Core 2.0，会得到：

Elapsed=00:00:04.3377355 Gen0=0 Gen1=0 Gen2=0
Elapsed=00:00:04.2892791 Gen0=0 Gen1=0 Gen2=0
Elapsed=00:00:04.3101593 Gen0=0 Gen1=0 Gen2=0
Elapsed=00:00:04.2652497 Gen0=0 Gen1=0 Gen2=0
Elapsed=00:00:04.2808077 Gen0=0 Gen1=0 Gen2=0
吞吐量提高了约30％，并且分配和完成的垃圾收集量减少了。

LINQ

在应用程序代码中，集合通常与语言集成查询（LINQ）紧密相连，该查询已经有了更多的改进。LINQ中的许多运算符已经完全重写为.NET Core，以便减少分配的数量和大小，降低算法复杂度，并且消除不必要的工作。

例如，Enumerable.Concat方法用于创建一个单一的IEnumerable <T>，它首先产生first域可枚举的所有元素，然后再生成second域所有的元素。它在.NET 4.7中的实现是简单易懂的，下面的代码正好反映了这种行为表述：

static IEnumerable<TSource> ConcatIterator<TSource>(IEnumerable<TSource> first, IEnumerable<TSource> second) {

foreach (TSource element in first) yield return element;
foreach (TSource element in second) yield return element;

}
当两个序列是简单的枚举，如C＃中的迭代器生成的，这种过程会执行的很好。但是如果应用程序代码具有如下代码呢？

first.Concat(second.Concat(third.Concat(fourth)));
每次我们从迭代器中退出时，则会返回到枚举器的MoveNext方法。这意味着如果你从另一个迭代器中枚举产生一个元素，则会返回两个MoveNext方法，并移动到下一个需要调用这两个MoveNext方法的元素。你调用的枚举器越多，操作所需的时间越长，特别是这些操作中的每一个都涉及多个接口调用（MoveNext和Current）。这意味着连接多个枚举会以指数方式增长，而不是呈线性增长。PR dotnet / corefx＃6131修正了这个问题，在下面的例子中，区别是显而易见的：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Linq;
public class Test
{

public static void Main()
{
    IEnumerable<int> zeroToTen = Enumerable.Range(0, 10);
    IEnumerable<int> result = zeroToTen;
    for (int i = 0; i < 10_000; i++)
    {
        result = result.Concat(zeroToTen);
    }

    var sw = Stopwatch.StartNew();
    foreach (int i in result) { }
    Console.WriteLine(sw.Elapsed);
}

}
在个人计算机上，.NET 4.7需要大约4.12秒。但在.NET Core 2.0中，这只需要约0.14秒，提高了30倍。

通过消除多个运算器同时使用时的消耗，运算器也得到了大大的提升。例如下面的例子：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Linq;
public class Test
{

public static void Main()
{
    IEnumerable<int> tenMillionToZero = Enumerable.Range(0, 10_000_000).Reverse();
    while (true)
    {
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        int fifth = tenMillionToZero.OrderBy(i => i).Skip(4).First();
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
在这里，我们创建一个可以从10,000,000下降到0的数字，然后再等待一会来排序它们上升，跳过排序结果中的前4个元素，并抓住第五个。在个人计算机上的NET 4.7中得到如下输出：

00：00：01.3879042
00：00：01.3438509
00：00：01.4141820
00：00：01.4248908
00：00：01.3548279
而使用.NET Core 2.0，会得到如下输出：

00：00：00.1776617
00：00：00.1787467
00：00：00.1754809
00：00：00.1765863
00：00：00.1735489
这是一个巨大的改进（〜8x），避免了大部分的开销。

类似地，来自justinvp的 PR dotnet / corefx＃3429对常用的ToList方法添加了优化，为已知长度的源，提供了优化的路径，并且通过像Select这样的操作器来管理。在以下简单测试中，这种影响是显而易见的：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Linq;
public class Test
{

public static void Main()
{
    IEnumerable<int> tenMillionToZero = Enumerable.Range(0, 10_000_000).Reverse();
    while (true)
    {
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        int fifth = tenMillionToZero.OrderBy(i => i).Skip(4).First();
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
在.NET 4.7中，会得到如下结果：

00：00：00.1308687
00：00：00.1228546
00：00：00.1268445
00：00：00.1247647
00：00：00.1503511
而在.NET Core 2.0中，得到如下结果：

00：00：00.0386857
00：00：00.0337234
00：00：00.0346344
00：00：00.0345419
00：00：00.0355355
显示吞吐量增加约4倍。

在其他情况下，性能优势来自于简化实施，以避免开销，例如减少分配，避免委托分配，避免接口调用，最小化字段读取和写入，避免拷贝等。例如，jamesqo为PR dotnet / corefx＃11208做出的贡献，大大地减少了Enumerable.ToArray涉及的开销。请看下面的例子：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.Linq;
public class Test
{

public static void Main()
{
    IEnumerable<int> zeroToTenMillion = Enumerable.Range(0, 10_000_000).ToArray();
    while (true)
    {
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        zeroToTenMillion.Select(i => i).ToList();
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
在.NET 4.7中，会得到如下的结果：

Elapsed=00:00:01.0548794 Gen0=2 Gen1=2 Gen2=2
Elapsed=00:00:01.1147146 Gen0=2 Gen1=2 Gen2=2
Elapsed=00:00:01.0709146 Gen0=2 Gen1=2 Gen2=2
Elapsed=00:00:01.0706030 Gen0=2 Gen1=2 Gen2=2
Elapsed=00:00:01.0620943 Gen0=2 Gen1=2 Gen2=2
而.NET Core 2.0的结果如下：

Elapsed=00:00:00.1716550 Gen0=1 Gen1=1 Gen2=1
Elapsed=00:00:00.1720829 Gen0=1 Gen1=1 Gen2=1
Elapsed=00:00:00.1717145 Gen0=1 Gen1=1 Gen2=1
Elapsed=00:00:00.1713335 Gen0=1 Gen1=1 Gen2=1
Elapsed=00:00:00.1705285 Gen0=1 Gen1=1 Gen2=1
这个例子中提高了6倍，但是垃圾收集却只有一半。

LINQ有一百多个运算器，本文只提到了几个，其它的很多也都有所改进。

压缩

前面所展示的集合和LINQ的例子都是处理内存中的数据，当然还有许多其他形式的数据处理，包括大量CPU计算和逻辑判断，这些运算也在得到提升。

一个关键的例子是压缩，例如使用DeflateStream，性能方面也有一些重大的性能改进。例如，在.NET 4.7中，zlib（本地压缩库）用于压缩数据，但是相对未优化的托管实现了用于解压缩的数据; PR dotnet / corefx＃2906添加了.NET Core支持，以便使用zlib进行解压缩。来自bjjones的 PR dotnet / corefx＃5674使用英特尔生产的zlib这个更优化的版本。这些结合产生了非常棒的效果。下面的例子，创建一个大量的数据：

using System;
using System.IO;
using System.IO.Compression;
using System.Diagnostics;
public class Test
{

public static void Main()
{
    // Create some fairly compressible data
    byte[] raw = new byte[100 * 1024 * 1024];
    for (int i = 0; i < raw.Length; i++) raw[i] = (byte)i;
    var sw = Stopwatch.StartNew();

    // Compress it
    var compressed = new MemoryStream();
    using (DeflateStream ds = new DeflateStream(compressed, CompressionMode.Compress, true))
    {
        ds.Write(raw, 0, raw.Length);
    }
    compressed.Position = 0;

    // Decompress it
    var decompressed = new MemoryStream();
    using (DeflateStream ds = new DeflateStream(compressed, CompressionMode.Decompress))
    {
        ds.CopyTo(decompressed);
    }
    decompressed.Position = 0;

    Console.WriteLine(sw.Elapsed);
}

}
在.NET 4.7中，这一个压缩/解压缩操作，会得到如下结果：

00：00：00.7977190
而使用.NET Core 2.0，会得到如下结果：

00：00：00.1926701

加密

.NET应用程序中另一个常见的计算源是使用加密操作，在这方面.NET Core也有改进。例如，在.NET 4.7中，SHA256.Create返回在管理代码中实现的SHA256类型，而管理代码可以运行得非常快，但是对于运算量非常大的计算，这仍然难以与原始吞吐量和编译器优化竞争。相反，对于.NET Core 2.0，SHA256.Create返回基于底层操作系统的实现，例如在Windows上使用CNG或在Unix上使用OpenSSL。从下面这个简单的例子可以看出，它散列着一个100MB的字节数组：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Security.Cryptography;

public class Test
{

public static void Main()
{
    byte[] raw = new byte[100 * 1024 * 1024];
    for (int i = 0; i < raw.Length; i++) raw[i] = (byte)i;

    using (var sha = SHA256.Create())
    {
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        sha.ComputeHash(raw);
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
在.NET 4.7中，会得到：

00：00：00.7576808
而使用.NET Core 2.0，会得到：

00：00：00.4032290
零代码更改的一个很好提升。

数学运算

数学运算也是一个很大的计算量，特别是处理大量数据时。通过像dotnet / corefx＃2182这样的PR ，axelheer对BigInteger的各种操作做了一些实质的改进。请考虑以下示例：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Numerics;

public class Test
{

public static void Main()
{
    var rand = new Random(42);
    BigInteger a = Create(rand, 8192);
    BigInteger b = Create(rand, 8192);
    BigInteger c = Create(rand, 8192);

    var sw = Stopwatch.StartNew();
    BigInteger.ModPow(a, b, c);
    Console.WriteLine(sw.Elapsed);
}

private static BigInteger Create(Random rand, int bits)
{
    var value = new byte[(bits + 7) / 8 + 1];
    rand.NextBytes(value);
    value[value.Length - 1] = 0;
    return new BigInteger(value);
}

}
在.NET 4.7中，会得到以下输出结果：

00：00：05.6024158
.NET Core 2.0上的相同代码会得到输出结果如下：

00：00：01.2707089
这是开发人员只关注.NET的某个特定领域的一个很好的例子，开发人员使得这种改进更好的满足了自己的需求，同时也满足了可能会用到这方面功能的其他开发人员的需求。

一些核心的整型类型的数学运算也得到了改进。例如：

using System;
using System.Diagnostics;
public class Test
{

private static long a = 99, b = 10, div, rem;

public static void Main()
{
    var sw = Stopwatch.StartNew();
    for (int i = 0; i < 100_000_000; i++)
    {
        div = Math.DivRem(a, b, out rem);
    }
    Console.WriteLine(sw.Elapsed);
}

}
PR dotnet / coreclr＃8125用更快的实现取代了DivRem，在.NET 4.7中会得到的如下结果：

00：00：01.4143100
并在.NET Core 2.0上得到如下结果：

00：00：00.7469733
吞吐量提高约2倍。

序列化

二进制序列化是.NET的另一个领域。BinaryFormatter最初并不是.NET Core中的一个组件，但是它包含在.NET Core 2.0中。该组件在性能方面有比较巧妙的修复。例如，PR dotnet / corefx＃17949是一种单行修复，可以增加允许增长的最大大小的特定数组，但是这一变化可能对吞吐量产生重大影响，通过O（N）算法比以前的O（N ^ 2）算法要话费更长的操作时间。以下代码示例，明显的展示了这一点：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Diagnostics;
using System.IO;
using System.Runtime.Serialization.Formatters.Binary;
class Test
{

static void Main()
{
    var books = new List<Book>();
    for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
    {
        string id = i.ToString();
        books.Add(new Book { Name = id, Id = id });
    }

    var formatter = new BinaryFormatter();
    var mem = new MemoryStream();
    formatter.Serialize(mem, books);
    mem.Position = 0;

    var sw = Stopwatch.StartNew();
    formatter.Deserialize(mem);
    sw.Stop();

    Console.WriteLine(sw.Elapsed.TotalSeconds);
}

[Serializable]
private class Book
{
    public string Name;
    public string Id;
}

}
在.NET 4.7中，代码输出如下结果：

76.677144
而在.NET Core 2.0中，会输出如下结果：

6.4044694
在这种情况下显示出了12倍的吞吐量提高。换句话说，它能够更有效地处理巨大的序列化输入。

文字处理

.NET应用程序中另一种很常见的计算形式就是处理文本，文字处理在堆栈的各个层次上都有大量的改进。

对于正则表达式，通常用于验证和解析输入文本中的数据。以下是使用Regex.IsMatch重复匹配电话号码的示例：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Text.RegularExpressions;
public class Test
{

public static void Main()
{
    var sw = new Stopwatch();
    int gen0 = GC.CollectionCount(0);
    sw.Start();

    for (int i = 0; i < 10_000_000; i++)
    {
        Regex.IsMatch("555-867-5309", @"^\d{3}-\d{3}-\d{4}$");
    }

    Console.WriteLine($"Elapsed={sw.Elapsed} Gen0={GC.CollectionCount(0) - gen0}");
}

}
在个人计算机上，.NET 4.7会得到的如下结果：

Elapsed=00:00:05.4367262 Gen0=820 Gen1=0 Gen2=0
而使用.NET Core 2.0会得到如下结果：

Elapsed=00:00:04.0231373 Gen0=248
由于PR dotnet / corefx＃231的变化很小，这些修改有助于缓存一部分数据，因此吞吐量提高了25％，分配/垃圾收集减少了70％。

文本处理的另一个例子是各种形式的编码和解码，例如通过WebUtility.UrlDecode进行URL解码。在这种解码方法中，通常情况下输入不需要任何解码，但是如果输入经过了解码器，则输入仍然可以通过。感谢来自hughbe的 PR dotnet / corefx＃7671，这种情况已经被优化了。例如下面这段程序：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Net;
public class Test
{

public static void Main()
{
    var sw = new Stopwatch();
    int gen0 = GC.CollectionCount(0);
    sw.Start();

    for (int i = 0; i < 10_000_000; i++)
    {
        WebUtility.UrlDecode("abcdefghijklmnopqrstuvwxyz");
    }

    Console.WriteLine($"Elapsed={sw.Elapsed} Gen0={GC.CollectionCount(0) - gen0}");
}

}
在.NET 4.7中，会得到以下输出：

Elapsed=00:00:01.6742583 Gen0=648
而在.NET Core 2.0中，输出如下：

Elapsed=00:00:01.2255288 Gen0=133
其他形式的编码和解码也得到了改进。例如，dotnet / coreclr＃10124优化了使用一些内置Encoding -derived类型的循环。例如下面的示例：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Linq;
using System.Text;
public class Test
{

public static void Main()
{
    string s = new string(Enumerable.Range(0, 1024).Select(i => (char)('a' + i)).ToArray());
    while (true)
    {
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
        {
            byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(s);
        }
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
在.NET 4.7中得到以下输出，如：

00：00：02.4028829
00：00：02.3743152
00：00：02.3401392
00：00：02.4024785
00：00：02.3550876
而.NET Core 2.0等到如下输出：

00：00：01.6133550
00：00：01.5915718
00：00：01.5759625
00：00：01.6070851
00：00：01.6070767
这些改进也适用于字符串和其它类型之间转换，例如.NET中生成Parse和ToString方法。使用枚举来表示各种状态是相当普遍的，例如使用Enum.Parse将字符串解析为相应的枚举。PR dotnet / coreclr＃2933改善了这一点。请查看以下的代码：

using System;
using System.Diagnostics;
public class Test
{

public static void Main()
{
    while (true)
    {
        var sw = new Stopwatch();
        int gen0 = GC.CollectionCount(0);
        sw.Start();

        for (int i = 0; i < 2_000_000; i++)
        {
            Enum.Parse(typeof(Colors), "Red, Orange, Yellow, Green, Blue");
        }

        Console.WriteLine($"Elapsed={sw.Elapsed} Gen0={GC.CollectionCount(0) - gen0}");
    }
}

[Flags]
private enum Colors
{
    Red = 0x1,
    Orange = 0x2,
    Yellow = 0x4,
    Green = 0x8,
    Blue = 0x10
}

}
在.NET 4.7中，会得到的以下结果：

Elapsed=00:00:00.9529354 Gen0=293
Elapsed=00:00:00.9422960 Gen0=294
Elapsed=00:00:00.9419024 Gen0=294
Elapsed=00:00:00.9417014 Gen0=294
Elapsed=00:00:00.9514724 Gen0=293
在.NET Core 2.0上，会得到以下结果：

Elapsed=00:00:00.6448327 Gen0=11
Elapsed=00:00:00.6438907 Gen0=11
Elapsed=00:00:00.6285656 Gen0=12
Elapsed=00:00:00.6286561 Gen0=11
Elapsed=00:00:00.6294286 Gen0=12
不但吞吐量提高了约33％，而且分配和相关垃圾收集也减少了约25倍。

当然，在.NET应用程序中需要进行大量的自定义文本处理，除了使用像Regex / Encoding这样的内置类型和Parse和ToString这样的内置操作之外，文本操作通常都是直接构建在字符串之上，并且大量的改进已经引入到了操作on String之上。

例如，String.IndexOf很擅长于查找字符串中的字符。IndexOf在bnetyersmyth的dotnet / coreclr＃5327中得到改进，他们为String实现了一系列的性能改进。正如下面的例子：

using System;
using System.Diagnostics;
public class Test
{

public static void Main()
{
    var dt = DateTime.Now;
    while (true)
    {
        var sw = new Stopwatch();
        int gen0 = GC.CollectionCount(0);
        sw.Start();

        for (int i = 0; i < 2_000_000; i++)
        {
            dt.ToString("o");
            dt.ToString("r");
        }

        Console.WriteLine($"Elapsed={sw.Elapsed} Gen0={GC.CollectionCount(0) - gen0}");
    }
}

}
在.NET 4.7上，会得到如下结果：

00：00：05.9718129
00：00：05.9199793
00：00：06.0203108
00：00：05.9458049
00：00：05.9622262
而在.NET Core 2.0中，会得到如下结果：

00：00：03.1283763
00：00：03.0925150
00：00：02.9778923
00：00：03.0782851
吞吐量提高约2倍。

下面是比较字符串部分。这是一个使用String.StartsWith和序数比较的例子：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Linq;
public class Test
{

public static void Main()
{
    string s = string.Concat(Enumerable.Repeat("a", 100)) + "b";
    while (true)
    {
        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < 100_000_000; i++)
        {
            s.IndexOf('b');
        }
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
在.NET 4.7上会得到如下结果：

00：00：01.3097317
00：00：01.3072381
00：00：01.3045015
00：00：01.3068244
00：00：01.3210207
.NET Core 2.0会得到如下结果：

00：00：00.6239002
00：00：00.6150021
00：00：00.6147173
00：00：00.6129136
00：00：00.6099822
对String的改进，也让我们看到对于其它方面进行更多改进的可能性，这是非常有趣的。

文件系统

到目前为止，本文一直专注于内存中操纵数据的各种改进。但是.NET Core的许多更改都是​​关于I / O的。

下面从文件开始介绍。这是一个从文件中异步读取所有数据并将其写入另一个文件的示例：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.IO;
using System.Threading.Tasks;
class Test
{

static void Main() => MainAsync().GetAwaiter().GetResult();
static async Task MainAsync()
{
    string inputPath = Path.GetTempFileName(), outputPath = Path.GetTempFileName();
    byte[] data = new byte[50_000_000];
    new Random().NextBytes(data);
    File.WriteAllBytes(inputPath, data);

    var sw = new Stopwatch();
    int gen0 = GC.CollectionCount(0), gen1 = GC.CollectionCount(1), gen2 = GC.CollectionCount(2);
    sw.Start();

    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        using (var input = new FileStream(inputPath, FileMode.Open, FileAccess.Read, FileShare.Read, 0x1000, useAsync: true))
        using (var output = new FileStream(outputPath, FileMode.Create, FileAccess.ReadWrite, FileShare.None, 0x1000, useAsync: true))
        {
            await input.CopyToAsync(output);
        }
    }

    Console.WriteLine($"Elapsed={sw.Elapsed} Gen0={GC.CollectionCount(0) - gen0} Gen1={GC.CollectionCount(1) - gen1} Gen2={GC.CollectionCount(2) - gen2}");
}

}

FileStream中的开销也在进一步减少，例如DOTNET / corefx＃11569增加了一个专门的CopyToAsync实现，dotnet/ corefx＃2929也改进了异步写入的处理，.NET 4.7会得到如下结果：

Elapsed=00:00:09.4070345 Gen0=14 Gen1=7 Gen2=1
.NET Core 2.0会得到如下结果：

Elapsed=00:00:06.4286604 Gen0=4 Gen1=1 Gen2=1

网络

网络是值得关注的部分，这部分也将取得很大的改进。目前正在付出很大的努力来优化和调整低等级的网络堆栈，以便高效地构建更高级别的组件。

这种改变带来的一个很大的影响是PR dotnet / corefx＃15141。SocketAsyncEventArgs是Socket上大量异步操作的核心，它支持同步完成模型，因此异步操作实际完成了同步操作，这样避免了异步操作的分配消耗。但是，.NET 4.7中的同步操作运算是失败的， PR修复了上述的实现问题，允许在socket上进行所有异步操作的同步完成。这样的提升在以下代码中变现的非常明显：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
class Test
{

static void Main()
{
    using (Socket listener = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp))
    using (Socket client = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp))
    {
        listener.Bind(new IPEndPoint(IPAddress.Loopback, 0));
        listener.Listen(1);

        Task connectTask = Task.Run(() => client.Connect(listener.LocalEndPoint));
        using (Socket server = listener.Accept())
        {
            connectTask.Wait();

            using (var clientAre = new AutoResetEvent(false))
            using (var clientSaea = new SocketAsyncEventArgs())
            using (var serverAre = new AutoResetEvent(false))
            using (var serverSaea = new SocketAsyncEventArgs())
            {
                byte[] sendBuffer = new byte[1000];
                clientSaea.SetBuffer(sendBuffer, 0, sendBuffer.Length);
                clientSaea.Completed += delegate { clientAre.Set(); };

                byte[] receiveBuffer = new byte[1000];
                serverSaea.SetBuffer(receiveBuffer, 0, receiveBuffer.Length);
                serverSaea.Completed += delegate { serverAre.Set(); };

                var sw = new Stopwatch();
                int gen0 = GC.CollectionCount(0), gen1 = GC.CollectionCount(1), gen2 = GC.CollectionCount(2);
                sw.Start();

                for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
                {
                    if (client.SendAsync(clientSaea)) clientAre.WaitOne();
                    if (clientSaea.SocketError != SocketError.Success) throw new SocketException((int)clientSaea.SocketError);

                    if (server.ReceiveAsync(serverSaea)) serverAre.WaitOne();
                    if (serverSaea.SocketError != SocketError.Success) throw new SocketException((int)clientSaea.SocketError);
                }

                Console.WriteLine($"Elapsed={sw.Elapsed} Gen0={GC.CollectionCount(0) - gen0} Gen1={GC.CollectionCount(1) - gen1} Gen2={GC.CollectionCount(2) - gen2}");
            }
        }
    }
}

}
该程序创建两个连接的socket，然后向socket写入1000次，并且在案例中使用异步方法接收，但绝大多数操作将同步完成。在.NET 4.7中会得到如下结果：

Elapsed=00:00:20.5272910 Gen0=42 Gen1=2 Gen2=0
在.NET Core 2.0中，大多数操作能够同步完成，得到如下结果：

Elapsed=00:00:05.6197060 Gen0=0 Gen1=0 Gen2=0
不仅仅是直接使用socket来实现组件的这种改进，而且还通过更高级别的组件来间接使用socket，其他PR的结果是更高级别组件（如NetworkStream）的额外性能提升。例如，PR dotnet / corefx＃16502在SocketAsyncEventArgs上重新实现了基于Socket的SendAsync和ReceiveAsync操作，并且允许它们在NetworkStream中使用。Read / WriteAsync和PR dotnet / corefx＃12664添加了一个专门的CopyToAsync重写，以便更有效地从NetworkStream读取数据并将其复制到其他流中。这些变化对NetworkStream吞吐量和分配有非常大的影响。看看下面这个例子：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.IO;
using System.Net;
using System.Net.Sockets;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
class Test
{

static void Main() => MainAsync().GetAwaiter().GetResult();
static async Task MainAsync()
{
    using (Socket listener = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp))
    using (Socket client = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp))
    {
        listener.Bind(new IPEndPoint(IPAddress.Loopback, 0));
        listener.Listen(1);

        Task connectTask = Task.Run(() => client.Connect(listener.LocalEndPoint));
        using (Socket server = listener.Accept())
        {
            await connectTask;

            using (var serverStream = new NetworkStream(server))
            using (var clientStream = new NetworkStream(client))
            {
                Task serverCopyAll = serverStream.CopyToAsync(Stream.Null);

                byte[] data = new byte[1024];
                new Random().NextBytes(data);

                var sw = new Stopwatch();
                int gen0 = GC.CollectionCount(0), gen1 = GC.CollectionCount(1), gen2 = GC.CollectionCount(2);
                sw.Start();

                for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
                {
                    await clientStream.WriteAsync(data, 0, data.Length);
                }
                client.Shutdown(SocketShutdown.Send);
                serverCopyAll.Wait();
                sw.Stop();

                Console.WriteLine($"Elapsed={sw.Elapsed} Gen0={GC.CollectionCount(0) - gen0} Gen1={GC.CollectionCount(1) - gen1} Gen2={GC.CollectionCount(2) - gen2}");
            }
        }
    }
}

}
与之前的Socket一样，下面我们创建两个连接的socket，然后把它们包含在NetworkStream中。在其中一个流中，我们将1K数据写入一百万次，而另一个流则通过CopyToAsync操作读出所有数据。在.NET 4.7中，会得到如下输出：

Elapsed = 00：00：24.7827947 Gen0 = 220 Gen1 = 3 Gen2 = 0
而在.NET Core 2.0中，时间减少了5倍，垃圾回收有效地减少到零：

Elapsed=00:00:05.6456073 Gen0=74 Gen1=0 Gen2=0
其它网络相关组件也将得到进一步优化。例如SslStream通常将围绕在NetworkStream中，以便向连接中添加SSL。下面的示例将看到这种影响，这个示例将在NetworkStream之上添加SslStream的用法：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;
class Test
{

static void Main()
{
    while (true)
    {
        int remaining = 20_000_000;
        var mres = new ManualResetEventSlim();
        WaitCallback wc = null;
        wc = delegate
        {
            if (Interlocked.Decrement(ref remaining) <= 0) mres.Set();
            else ThreadPool.QueueUserWorkItem(wc);
        };

        var sw = new Stopwatch();
        int gen0 = GC.CollectionCount(0), gen1 = GC.CollectionCount(1), gen2 = GC.CollectionCount(2);
        sw.Start();

        for (int i = 0; i < Environment.ProcessorCount; i++) ThreadPool.QueueUserWorkItem(wc);
        mres.Wait();

        Console.WriteLine($"Elapsed={sw.Elapsed} Gen0={GC.CollectionCount(0) - gen0} Gen1={GC.CollectionCount(1) - gen1} Gen2={GC.CollectionCount(2) - gen2}");
    }
}

}
在.NET 4.7中，会得到如下结果：

Elapsed=00:00:21.1171962 Gen0=470 Gen1=3 Gen2=1
.NET Core 2.0包含了诸如dotnet / corefx＃12935和dotnet / corefx＃13274等PR的改进，这两者都将大大减少了使用SslStream所涉及的分配。在.NET Core 2.0上运行相同的代码时，会得到如下结果：

Elapsed=00:00:05.6456073 Gen0=74 Gen1=0 Gen2=0
85％的垃圾收集已被删除！

并发

对于并发和并行性相关的原始化和基础部分，也得到了许多改进。

这里的一个关键点是ThreadPool，它是执行许多.NET应用程序的核心。例如，PR dotnet / coreclr＃3157减少了QueueUserWorkItem中涉及的某些对象的大小，PR dotnet / coreclr＃9234使用了ConcurrentQueue <T>重写来替换ThreadPool的全局队列，其中会用到较少的同步和分配。从以下的示例中，会看到最终结果：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;
class Test
{

static void Main()
{
    while (true)
    {
        int remaining = 20_000_000;
        var mres = new ManualResetEventSlim();
        WaitCallback wc = null;
        wc = delegate
        {
            if (Interlocked.Decrement(ref remaining) <= 0) mres.Set();
            else ThreadPool.QueueUserWorkItem(wc);
        };

        var sw = new Stopwatch();
        int gen0 = GC.CollectionCount(0), gen1 = GC.CollectionCount(1), gen2 = GC.CollectionCount(2);
        sw.Start();

        for (int i = 0; i < Environment.ProcessorCount; i++) ThreadPool.QueueUserWorkItem(wc);
        mres.Wait();

        Console.WriteLine($"Elapsed={sw.Elapsed} Gen0={GC.CollectionCount(0) - gen0} Gen1={GC.CollectionCount(1) - gen1} Gen2={GC.CollectionCount(2) - gen2}");
    }
}

}
在.NET 4.7中，会等到如下结果：

Elapsed=00:00:03.6263995 Gen0=225 Gen1=51 Gen2=16
Elapsed=00:00:03.6304345 Gen0=231 Gen1=62 Gen2=17
Elapsed=00:00:03.6142323 Gen0=225 Gen1=53 Gen2=16
Elapsed=00:00:03.6565384 Gen0=232 Gen1=62 Gen2=16
Elapsed=00:00:03.5999892 Gen0=228 Gen1=62 Gen2=17
而在.NET Core 2.0中，会得到如下结果：

Elapsed=00:00:02.1797508 Gen0=153 Gen1=0 Gen2=0
Elapsed=00:00:02.1188833 Gen0=154 Gen1=0 Gen2=0
Elapsed=00:00:02.1000003 Gen0=153 Gen1=0 Gen2=0
Elapsed=00:00:02.1024852 Gen0=153 Gen1=0 Gen2=0
Elapsed=00:00:02.1044461 Gen0=154 Gen1=1 Gen2=0
这是一个巨大的吞吐量的改善，并且这样一个核心组件的垃圾量也将大幅减少。

同步原语也在.NET Core中得到提升。例如，低级并发代码通常使用SpinLock来尝试避免分配锁定对象或最小化竞争锁所花费的时间。PR dotnet / coreclr＃6952改进了失败的快速路径，以下测试会得到显而易见的结果：

using System;
using System.Diagnostics;
using System.Threading;
class Test
{

static void Main()
{
    while (true)
    {
        bool taken = false;
        var sl = new SpinLock(false);
        sl.Enter(ref taken);

        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < 100_000_000; i++)
        {
            taken = false;
            sl.TryEnter(0, ref taken);
        }
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
在.NET 4.7中，会得到如下结果：

00:00:02.3276463
00:00:02.3174042
00:00:02.3022212
00:00:02.3015542
00:00:02.2974777

而在.NET Core 2.0中，会得到如下结果：

00：00：00.3915327
00：00：00.3953084
00：00：00.3875121
00：00：00.3980009
00：00：00.3886977
吞吐量的这种差异可能会对运行这种锁的热路径产生很大的影响。

这只是众多例子中的一个。另一个例子围绕着Lazy<T>，它被PR dotnet / coreclr＃8963用manofstick重写，以便提高访问初始化过的Lazy <T>的效率。这样的提升效果从下面的示例中清晰可见：

using System;
using System.Diagnostics;
class Test
{

static int s_result;

static void Main()
{
    while (true)
    {
        var lazy = new Lazy<int>(() => 42);
        s_result = lazy.Value;

        var sw = Stopwatch.StartNew();
        for (int i = 0; i < 1_000_000_000; i++)
        {
            s_result = lazy.Value;
        }
        Console.WriteLine(sw.Elapsed);
    }
}

}
在.NET 4.7中，会得到的结果如下：

00：00：02.6769712
00：00：02.6789140
00：00：02.6535493
00：00：02.6911146
00：00：02.7253927
而在.NET Core 2.0中，会得到的结果如下：

00：00：00.5278348
00：00：00.5594950
00：00：00.5458245
00：00：00.5381743
00：00：00.5502970
吞吐量增加约5倍。

下一步是什么

本文只涉及了部分.NET Core的性能改进。在dotnet / corefx和dotnet / coreclr repos 中的pull请求中搜索“perf”或“performance”，你会发现接近一千个合并的PR改进。其中一些是比较大的同时也很有影响力的改进，而另一些则主要减少了库和运行时的消耗，这些变化一起起作用，保证了能够在.NET Core上更快的运行应用程序。展望未来，性能将成为关注的重点，无论是以性能改进为目标的API还是现有库的性能的改进。

欢迎大家深入了解.NET Core代码库，以便找到影响自己的应用程序和库的瓶颈，并提交PR来修复它们。如果你的问题得到修复，也请将修复程序分享给所有需要的人。

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