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字符串池化,减少了三分之一的内存占用

开发技术 开发技术 3小时前 2次浏览

字符串池化,减少重复实例,内存降低,一切就是这样的轻松愉快。

 

开篇摘要

本文通过一个简单的业务场景,来描述如何通过字符串池化来减少内存中的重复字符串实例,从而减少内存的占用。

在业务中,我们假设如下:

  • 有一百万个商品,每个商品都有一个 ProductId 和 Color 列保存在数据库
  • 需要将所有的数据加载到内存中,作为缓存使用
  • 每个产品都有 Color
  • Color 的范围是一个有限的范围,我们假设大约为八十个左右

学习 dotMemory 度量内存

既然需要度量内存优化的可靠性,那么一个简单有效的度量工具自然必不可少。

本篇,我们介绍 Rider + dotMemory 的组合,如何进行简单的内存度量。读者也可以根据自己的实际,选择自己青睐的工具

首先,我们创建一个单元测试项目,并且编写一个简单的内存字典构建过程:


public const int ProductCount = 1_000_000;

public static readonly List<string> Colors = new[]
    {
        "amber"// 此处实际上有80个左右的字符串,省略篇幅
    }.OrderBy(x => x).ToList();

public static Dictionary<int, ProductInfo> CreateDict()
{
    var random = new Random(36524);
    var dict = new Dictionary<int, ProductInfo>(ProductCount);
    for (int i = 0; i < ProductCount; i++)
    {
        dict.Add(i, new ProductInfo
        {
            ProductId = i,
            Color = Colors[random.Next(0, Colors.Count)]
        });
    }

    return dict;
}

从以上代码可以看出:

  • 创建了一百万个商品对象,其中的 Color 通过随机数进行随机选取。

提前指定字典的大小的预期值,实际上也是一种优化。请参阅 https://docs.microsoft.com/dotnet/api/system.collections.generic.dictionary-2.-ctor?view=net-5.0&WT.mc_id=DX-MVP-5003606#System_Collections_Generic_Dictionary_2__ctor_System_Int32_

然后,我们引入 dotMemory 单元测试度量必要的 nuget 包,和其他一些无关紧要的包:

<ItemGroup>
    <PackageReference Include="JetBrains.DotMemoryUnit" Version="3.1.20200127.214830" />

    <PackageReference Include="Humanizer" Version="2.11.10" />
</ItemGroup>

接着,我们创建一个简单的测试来度量以上字典的创建前后,内存的变化:

public class NormalDictTest
{
    [Test]
    [DotMemoryUnit(FailIfRunWithoutSupport = false)]
    public void CreateDictTest()
    {
        var beforeStart = dotMemory.Check();
        var dict = HelperTest.CreateDict();
        GC.Collect();
        dotMemory.Check(memory =>
        {
            var snapshotDifference = memory.GetDifference(beforeStart);
            Console.WriteLine(snapshotDifference.GetNewObjects().SizeInBytes.Bytes());
        });
    }
}

从以上代码可以看出:

  • 在字典创建之前,我们通过dotMemory.Check()来捕捉当前内存的快照,以便后续进行对比
  • 字典创建完毕后,我们比对前后两次检查点中新增的对象的大小。

最后,点击如下图所示的按钮,运行这个测试:

字符串池化,减少了三分之一的内存占用run dotMemory

那么,就会到的如下这样的结果:

字符串池化,减少了三分之一的内存占用result

故而,我们可以得出这样一个简单的结论。这样一个字典,大约需要 61MB 的内存。

而这是理论上,这个字典占用了内存最小情况。因为,其中每个 Color 使用的都是上面的八十个范围之一。因此,他们达到了没有任何重复实例的目的。

这个数据将会作为后续代码的一个基准。

尝试从数据库载入到内存

实际业务肯定是从数据库之类的持久化存储载入到内存中的。因此,我们度量一下,没有经过优化情况下,这种载入方式大概需要多大的内存开销。

这里,我们使用 SQLite 作为演示的存储数据库,实际上用什么都可以,因为我们关心的是最终缓存的大小。

我们,引入一些无关紧要的包:

<ItemGroup>
    <PackageReference Include="Dapper" Version="2.0.90" />
    <PackageReference Include="System.Data.SQLite.Core" Version="1.0.115" />
</ItemGroup>

我们编写一个测试代码,将一百万测试数据写入到测试库中:

[Test]
public async Task CreateDb()
{
    var fileName = "data.db";
    if (File.Exists(fileName))
    {
        return;
    }

    var connectionString = GetConnectionString(fileName);
    await using var sqlConnection = new SQLiteConnection(connectionString);
    await sqlConnection.OpenAsync();
    await using var transaction = await sqlConnection.BeginTransactionAsync();
    await sqlConnection.ExecuteAsync(@"
CREATE TABLE Product(
    ProductId int PRIMARY KEY,
    Color TEXT
)"
, transaction);

    var dict = CreateDict();
    foreach (var (_, p) in dict)
    {
        await sqlConnection.ExecuteAsync(@"
INSERT INTO Product(ProductId,Color)
VALUES(@ProductId,@Color)"
, p, transaction);
    }

    await transaction.CommitAsync();
}

public static string GetConnectionString(string filename)
{
    var re =
        $"Data Source={filename};Cache Size=5000;Journal Mode=WAL;Pooling=True;Default IsolationLevel=ReadCommitted";
    return re;
}

以上代码:

  • 创建一个名为 data.db 的数据
  • 数据库中创建一个 Product 表,包含 ProductId 和 Color 两列
  • 将字典中的所有数据插入到这两个表中,其实就是前文创建的那个字典

运行这个测试,大概十秒左右,测试数据也就准备好了。后续,我们将重复从这个数据库读取数据,作为我们的测试用例。

现在,我们编写一个从数据库读取数据,然后载入到字典的代码,并且度量一下内存的变化:

[Test]
[DotMemoryUnit(FailIfRunWithoutSupport = false)]
public async Task LoadFromDbAsync()
{
    var beforeStart = dotMemory.Check();
    var dict = new Dictionary<int, ProductInfo>(HelperTest.ProductCount);
    await LoadCoreAsync(dict);
    GC.Collect();
    dotMemory.Check(memory =>
    {
        var snapshotDifference = memory.GetDifference(beforeStart);
        Console.WriteLine(snapshotDifference.GetNewObjects().SizeInBytes.Bytes());
    });
}

public static async Task LoadCoreAsync(Dictionary<int, ProductInfo> dict)
{
    var connectionString = HelperTest.GetConnectionString();
    await using var sqlConnection = new SQLiteConnection(connectionString);
    await sqlConnection.OpenAsync();
    await using var reader = await sqlConnection.ExecuteReaderAsync(
        "SELECT ProductId, Color FROM Product");
    var rowParser = reader.GetRowParser<ProductInfo>();
    while (await reader.ReadAsync())
    {
        var productInfo = rowParser.Invoke(reader);
        dict[productInfo.ProductId] = productInfo;
    }
}

以上代码:

  • 我们改变了字典的创建方式,将其中的数据从数据库中读取并载入
  • 使用 Dapper 读取 DataReader 并且全部载入字典

同样,我们运行 dotMemory 度量变化,可以得到数据为:

95.1 MB

因此,我们得出,采用这种方式,多消耗了 30MB 左右的内存。看起来很少,但其实比前面多了 50%。(一千五工资加薪到三千,涨薪 100%的即时感)

当然,你可能会怀疑,多出来的这些开销实际上是数据库操作消耗的。但通过下文的优化,我们可以提前知道:

这些多出来的开销,实际上是因为存在重复的字符串消耗。

剔除重复的字符串实例

既然我们怀疑多出来的开销是重复的字符串,那么我们就可以考虑通过将它们转为同一个对象的方式,减少字典中重复的字符串。

所以,我们就有了下面这个版本的测试代码:

[Test]
[DotMemoryUnit(FailIfRunWithoutSupport = false)]
public async Task LoadFromDbAsync()
{
    var beforeStart = dotMemory.Check();
    var dict = new Dictionary<int, ProductInfo>(HelperTest.ProductCount);
    await DbReadingTest.LoadCoreAsync(dict);
    foreach (var (_, p) in dict)
    {
        var colorIndex = HelperTest.Colors.BinarySearch(p.Color);
        var color = HelperTest.Colors[colorIndex];
        p.Color = color;
    }
    GC.Collect();
    dotMemory.Check(memory =>
    {
        var snapshotDifference = memory.GetDifference(beforeStart);
        Console.WriteLine(snapshotDifference.GetNewObjects().SizeInBytes.Bytes());
    });
}

以上代码:

  • 我们仍然从数据库载入所有的数据到字典中,载入的代码和先前完全一样,因此没有展示
  • 载入之后,我们再次遍历字典。并且从早在第一个版本就存在的 Color List 搜索到对应的字符串实例,并且赋值给字典中的 Color
  • 通过这样一搜,一读,一换。我们使得字典中的 Color 全部来自 Color List

于是,我们再次运行 dotMemory 进行度量,结果非常的 Amazing:

61.69 MB

虽说,最终这个数字的开销对比,第一个版本略有上升,但其实已经到了相差无几的地步。

我们通过将相同字符串转为相同实例的方式,将字典中的相同 Color 转为了相同实例。而 30MB 的临时字符串则会由于没有对象引用它们,因此在最近的一次 GC 中会被立即回收,一切都是这样的轻松愉快。

直接引入 StringPool

前文我们已经找到了开销的原因,并且通过办法进行了优化。不过还存在一些问题实际上要考虑:

  • 很多时候 Color List 并不是静态的列表,她可能早上还很开心,下午就生气了
  • Color List 不可能无限大,我们需要一个淘汰算法,淘汰末尾的 10%,把他们输送给社会

因此,我们可以考虑直接使用 StringPool,别人写的代码很棒,现在是我们的了。

让我们再引入一些无关紧要的包:

<ItemGroup>
    <PackageReference Include="Microsoft.Toolkit.HighPerformance" Version="7.0.2" />
</ItemGroup>

稍微改了一下,就有了新的版本:

[Test]
[DotMemoryUnit(FailIfRunWithoutSupport = false)]
public async Task LoadFromDbAsync()
{
    var beforeStart = dotMemory.Check();
    var dict = new Dictionary<int, ProductInfo>(HelperTest.ProductCount);
    await DbReadingTest.LoadCoreAsync(dict);
    var stringPool = StringPool.Shared;
    foreach (var (_, p) in dict)
    {
        p.Color = stringPool.GetOrAdd(p.Color);
    }
    GC.Collect();
    dotMemory.Check(memory =>
    {
        var snapshotDifference = memory.GetDifference(beforeStart);
        Console.WriteLine(snapshotDifference.GetNewObjects().SizeInBytes.Bytes());
    });
}

以上代码:

  • 使用了 StringPool.Shared 实例存储字符串实例
  • GetOrAdd 实际上就是实现了我们先前的一搜,一读,一换三步走战略

当然,结果也是毫无惊喜可言的惊喜:

61.81 MB

一切就是这样的轻松愉快。

字符串池化,减少了三分之一的内存占用diff

延伸阅读

StringPool 和 string.Intern() 有什么异同?

它们都是为了解决重复字符串实例过多,导致浪费内存的情况。

效果上的区别,主要是生存期的区别。 string.Intern 是终生制的,一旦加入只要程序不重启,就会一直存在。这和 StringPool 很不一样。

因此,如果你有生存期上的考虑,请斟酌选择。

string.Intern 可以参阅 https://docs.microsoft.com/dotnet/api/system.string.intern?view=net-5.0&WT.mc_id=DX-MVP-5003606

StringPool 是怎么实现的?

咱也不懂,咱也不敢乱说。总的来说是一个带有使用计数标记的优先队列。源代码咱也读不懂。

前面的区域,就交给你探索吧:

https://github.com/CommunityToolkit/WindowsCommunityToolkit/blob/main/Microsoft.Toolkit.HighPerformance/Buffers/StringPool.cs

我该在什么情况下考虑使用 StringPool?

笔者建议,考虑这些字符串入池:

  1. 这个字符串可能被很多实例引用
  2. 这个字符串需要长期驻留,或者持有它的对象,是长期对象
  3. 内存优化确实已经成为你要考虑的事情了

当然,其实存在一个最容易判断的依据。你可以直接把产线上的内存 dump 下来,查看里面是否存在很多重复的字符串,然后优化他们。 现在已经是 2021 年了,不会还有人不会 dump 内存吧,不会吧,不会吧?(手动狗头 如果你还不会 dump 内存,那么可以参阅黄老师在微软 Reactor 上分享的视频进行学习: https://www.bilibili.com/video/BV1jZ4y1P7EY

好耶!我可以用 StringPool 来存储枚举的 DisplayName

确实,也没有什么错。不过,其实还有更好的一些方案:

https://github.com/Spinnernicholas/EnumFastToStringDotNet

本篇小结

dotMemory 度量还有更多姿势,你可以多多尝试。

重复,池化。这是一种非常常见的优化方案。掌握它们,在你需要的时候,这或许就帮到了你。

本篇文章中代码实例,可以在以下地址找到,不要忘记为项目 star 哟:

https://github.com/newbe36524/Newbe.Demo/tree/main/src/BlogDemos/Newbe.StringPools

字符串池化,减少了三分之一的内存占用

字符串池化,减少重复实例,内存降低,一切就是这样的轻松愉快。

 


程序员灯塔
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