.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^[1]。

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^[2]：

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。