.NET8极致性能优化Primitives-DateTime

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2024-02-17

前言

我们上一篇讲了一下枚举类型的优化,本篇来看下DateTime也就是时间格式的优化。

概述

DateTime 和 DateTimeOffset 为例。dotnet/runtime#84963 改进了 DateTime{Offset} 格式化的各种方面:

  • 格式化逻辑具有用作回退的一般支持,并支持任何自定义格式,但也有用于最流行格式的专用例程,允许对其进行优化和调整。对于非常流行的“r”(RFC1123模式)和“o”(往返日期/时间模式)格式,已经存在专用例程;此 PR 在与固定区域性一起使用时为默认格式 (“G”)、“s”格式(可排序日期/时间模式)和“u”格式(通用可排序日期/时间模式)添加了专用例程,所有这些格式在各种域中都经常使用。
  • 对于“U”格式(通用的完整日期/时间模式),实现最终将始终分配新实例和实例,从而导致大量分配,即使仅在极少数回退情况下才需要它。这修复了它,只在真正需要时才分配。DateTimeFormatInfoGregorianCalendar
  • 当没有专用的格式化例程时,格式化将完成到一个内部调用中,该调用从提供的 span 缓冲区(通常从 )开始,然后根据需要随内存一起增长。格式设置完成后,该生成器将复制到目标范围或新字符串中,具体取决于触发格式设置的方法。但是,如果我们只为构建器提供目标范围的种子,则可以避免目标范围的复制。然后,如果构建器在格式化完成时仍然包含初始跨度(没有从中生长出来),我们知道所有数据都适合,我们可以跳过复制,因为所有数据都已经存在。ref structValueListBuilder<T>stackallocArrayPool

以下示例展现出一些影响:

// dotnet run -c Release -f net7.0 --filter "*" --runtimes net7.0 net8.0

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System.Globalization;

BenchmarkSwitcher.FromAssembly(typeof(Tests).Assembly).Run(args);

[HideColumns("Error", "StdDev", "Median", "RatioSD")]
[MemoryDiagnoser(displayGenColumns: false)]
public class Tests
{
    private readonly DateTime _dt = new DateTime(2023, 9, 1, 12, 34, 56);
    private readonly char[] _chars = new char[100];

    [Params(null, "s", "u", "U", "G")]
    public string Format { get; set; }

    [Benchmark] public string DT_ToString() => _dt.ToString(Format);
    [Benchmark] public string DT_ToStringInvariant() => _dt.ToString(Format, CultureInfo.InvariantCulture);
    [Benchmark] public bool DT_TryFormat() => _dt.TryFormat(_chars, out _, Format);
    [Benchmark] public bool DT_TryFormatInvariant() => _dt.TryFormat(_chars, out _, Format, CultureInfo.InvariantCulture);
}

性能测试如下:

Method

Runtime

Format

Mean

Ratio

Allocated

Alloc Ratio

DT_ToString

.NET 7.0

?

166.64 ns

1.00

64 B

1.00

DT_ToString

.NET 8.0

?

102.45 ns

0.62

64 B

1.00








DT_ToStringInvariant

.NET 7.0

?

161.94 ns

1.00

64 B

1.00

DT_ToStringInvariant

.NET 8.0

?

28.74 ns

0.18

64 B

1.00








DT_TryFormat

.NET 7.0

?

151.52 ns

1.00

NA

DT_TryFormat

.NET 8.0

?

78.57 ns

0.52

NA








DT_TryFormatInvariant

.NET 7.0

?

140.35 ns

1.00

NA

DT_TryFormatInvariant

.NET 8.0

?

18.26 ns

0.13

NA








DT_ToString

.NET 7.0

G

162.86 ns

1.00

64 B

1.00

DT_ToString

.NET 8.0

G

109.49 ns

0.68

64 B

1.00








DT_ToStringInvariant

.NET 7.0

G

162.20 ns

1.00

64 B

1.00

DT_ToStringInvariant

.NET 8.0

G

102.71 ns

0.63

64 B

1.00








DT_TryFormat

.NET 7.0

G

148.32 ns

1.00

NA

DT_TryFormat

.NET 8.0

G

83.60 ns

0.57

NA








DT_TryFormatInvariant

.NET 7.0

G

145.05 ns

1.00

NA

DT_TryFormatInvariant

.NET 8.0

G

79.77 ns

0.55

NA








DT_ToString

.NET 7.0

s

186.44 ns

1.00

64 B

1.00

DT_ToString

.NET 8.0

s

29.35 ns

0.17

64 B

1.00








DT_ToStringInvariant

.NET 7.0

s

182.15 ns

1.00

64 B

1.00

DT_ToStringInvariant

.NET 8.0

s

27.67 ns

0.16

64 B

1.00








DT_TryFormat

.NET 7.0

s

165.08 ns

1.00

NA

DT_TryFormat

.NET 8.0

s

15.53 ns

0.09

NA








DT_TryFormatInvariant

.NET 7.0

s

155.24 ns

1.00

NA

DT_TryFormatInvariant

.NET 8.0

s

15.50 ns

0.10

NA








DT_ToString

.NET 7.0

u

184.71 ns

1.00

64 B

1.00

DT_ToString

.NET 8.0

u

29.62 ns

0.16

64 B

1.00








DT_ToStringInvariant

.NET 7.0

u

184.01 ns

1.00

64 B

1.00

DT_ToStringInvariant

.NET 8.0

u

26.98 ns

0.15

64 B

1.00








DT_TryFormat

.NET 7.0

u

171.73 ns

1.00

NA

DT_TryFormat

.NET 8.0

u

16.08 ns

0.09

NA








DT_TryFormatInvariant

.NET 7.0

u

158.42 ns

1.00

NA

DT_TryFormatInvariant

.NET 8.0

u

15.58 ns

0.10

NA








DT_ToString

.NET 7.0

U

1,622.28 ns

1.00

1240 B

1.00

DT_ToString

.NET 8.0

U

206.08 ns

0.13

96 B

0.08








DT_ToStringInvariant

.NET 7.0

U

1,567.92 ns

1.00

1240 B

1.00

DT_ToStringInvariant

.NET 8.0

U

207.60 ns

0.13

96 B

0.08








DT_TryFormat

.NET 7.0

U

1,590.27 ns

1.00

1144 B

1.00

DT_TryFormat

.NET 8.0

U

190.98 ns

0.12

0.00








DT_TryFormatInvariant

.NET 7.0

U

1,560.00 ns

1.00

1144 B

1.00

DT_TryFormatInvariant

.NET 8.0

U

184.11 ns

0.12

0.00

解析也有了有意义的改进。例如改进了自定义格式字符串中“ddd”(一周中某天的缩写名称)、“dddd”(一周中某天的全名)、“MMM”(月份的缩写名称)和“MMMM”(月份的全名)的处理;这些在各种常用格式字符串中都有出现,比如在 RFC1123 格式的扩展定义中:ddd, dd MMM yyyy HH':'mm':'ss 'GMT'。当通用解析例程在格式字符串中遇到这些时,它需要查阅提供的 CultureInfo / DateTimeFormatInfo,以获取该语言区域设置的相关月份和日期名称,例如 DateTimeFormatInfo.GetAbbreviatedMonthName,然后需要对每个名称和输入文本进行语言忽略大小写的比较;开销很大。然而,如果我们得到的是一个不变的语言区域设置,我们可以做得更快,快得多。以“MMM”为例,代表缩写的月份名称。我们可以读取接下来的三个字符(uint m0 = span[0], m1 = span[1], m2 = span[2]),确保它们都是 ASCII ((m0 | m1 | m2) <= 0x7F),然后将它们全部合并成一个单独的 uint,使用之前讨论过的相同的 ASCII 大小写技巧 ((m0 << 16) | (m1 << 8) | m2 | 0x202020)。我们可以对每个月份名称做同样的事情,这些对于不变的语言区域设置我们提前知道,整个查找变成了一个单一的数字切换:

switch ((m0 << 16) | (m1 << 8) | m2 | 0x202020)
{
    case 0x6a616e: /* 'jan' */ result = 1; break;
    case 0x666562: /* 'feb' */ result = 2; break;
    case 0x6d6172: /* 'mar' */ result = 3; break;
    case 0x617072: /* 'apr' */ result = 4; break;
    case 0x6d6179: /* 'may' */ result = 5; break;
    case 0x6a756e: /* 'jun' */ result = 6; break;
    case 0x6a756c: /* 'jul' */ result = 7; break;
    case 0x617567: /* 'aug' */ result = 8; break;
    case 0x736570: /* 'sep' */ result = 9; break;
    case 0x6f6374: /* 'oct' */ result = 10; break;
    case 0x6e6f76: /* 'nov' */ result = 11; break;
    case 0x646563: /* 'dec' */ result = 12; break;
    default: maxMatchStrLen = 0; break; // undo match assumption
}

优雅,而且速度更快。

// dotnet run -c Release -f net7.0 --filter "*" --runtimes net7.0 net8.0

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System.Globalization;

BenchmarkSwitcher.FromAssembly(typeof(Tests).Assembly).Run(args);

[HideColumns("Error", "StdDev", "Median", "RatioSD")]
[MemoryDiagnoser(displayGenColumns: false)]
public class Tests
{
    private const string Format = "ddd, dd MMM yyyy HH':'mm':'ss 'GMT'";

    private readonly string _s = new DateTime(1955, 11, 5, 6, 0, 0, DateTimeKind.Utc).ToString(Format, CultureInfo.InvariantCulture);

    [Benchmark]
    public void ParseExact() => DateTimeOffset.ParseExact(_s, Format, CultureInfo.InvariantCulture, DateTimeStyles.AllowInnerWhite | DateTimeStyles.AssumeUniversal);
}

性能对比:

方法

运行时

平均值

比率

分配

分配比率

ParseExact

.NET 7.0

1,139.3 ns

1.00

80 B

1.00

ParseExact

.NET 8.0

318.6 ns

0.28

0.00