本系列的主要目的是告诉大家在遇到性能问题时，有哪些方案可以去优化；并不是要求大家一开始就使用这些方案来提升性能。
在之前几篇文章中，有很多网友就有一些非此即彼的观念，在实际中，处处都是开发效率和性能之间取舍的艺术。《计算机编程艺术》一书中提到过早优化是万恶之源，在进行性能优化时，你必须要问自己几个问题，看需不要进行性能优化。
如果评估下来，还是优化的利大于弊，而且在合理的时间范围内，那么就去做；如果觉得当前应用的QPS不高、用户体验也还好、内存和CPU都有空余，那么就放一放，主要放在二八法则中能为你创建80%价值的事情上。但是大家要记住过早优化是万恶之源不是写垃圾代码的借口。
回到正题，在上篇文章《使用结构体替代类》中有写在缓存和大数据量计算时使用结构体有诸多的好处，最后关于计算性能的例子中，我使用的是简单的for循环语句，但是在C#中我们使用LINQ多于使用for循环。有小伙伴就问了两个问题：
LINQ对于结构体是值传递还是引用传递？在.NET平台上，默认对于值类型的方法传参都是值传递，除非在方法参数上指定ref，才能变为引用传递。
同样，在LINQ实现的Where、Select、Take众多方法中，也没有加入ref关键字，所以在LINQ中全部都是值传递，如果结构体Size大于8byte（当前平台的指针大小），那么在调用方法时，结构体的速度要慢于引用传递的类。
比如我们编写如下代码，使用常见的Linq API进行数据的结构化查询，分别使用结构体和类，看看效果，数组数据量为1w。
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 struct SomeStruct { 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; } [MemoryDiagnoser] [Orderer(SummaryOrderPolicy.FastestToSlowest)] public class Benchmark { private static readonly SomeClass[] ClassArray; private static readonly SomeStruct[] StructArray; static Benchmark() { var baseTime = DateTime.Now; ClassArray = new SomeClass[10000]; StructArray = new SomeStruct[10000]; for (int i = 0; i < 10000; i++) { var item = new SomeStruct { Value1 = i, Value2 = i, Value3 = i, Value4 = i, Value5 = i.ToString(), Value6 = i, Value7 = baseTime.AddHours(i), Value8 = TimeOnly.MinValue, Value9 = DateOnly.MaxValue }; StructArray[i] = item; ClassArray[i] = new SomeClass { Value1 = i, Value2 = i, Value3 = i, Value4 = i, Value5 = i.ToString(), Value6 = i, Value7 = baseTime.AddHours(i), Value8 = TimeOnly.MinValue, Value9 = DateOnly.MaxValue }; } } [Benchmark(Baseline = true)] public decimal Class() { return ClassArray.Where(x => x.Value1 > 5000) .Where(x => x.Value3 > 5000) .Where(x => x.Value7 > DateTime.MinValue) .Where(x => x.Value5 != string.Empty) .Where(x => x.Value6 > 1) .Where(x => x.Value8 > TimeOnly.MinValue) .Where(x => x.Value9 > DateOnly.MinValue) .Skip(100) .Take(10000) .Select(x => x.Value6) .Sum(); } [Benchmark] public decimal Struct() { return StructArray.Where(x => x.Value1 > 5000) .Where(x => x.Value3 > 5000) .Where(x => x.Value7 > DateTime.MinValue) .Where(x => x.Value5 != string.Empty) .Where(x => x.Value6 > 1) .Where(x => x.Value8 > TimeOnly.MinValue) .Where(x => x.Value9 > DateOnly.MinValue) .Skip(100) .Take(10000) .Select(x => x.Value6) .Sum(); } } Benchmakr的结果如下，大家看到在速度上有5倍的差距，结构体由于频繁装箱内存分配的也更多。
那么注定没办开开心心的在结构体上用LINQ了吗？那当然不是，引入我们今天要给大家介绍的项目。
首先来介绍一下StructLinq，在C#中用结构体实现LINQ，以大幅减少内存分配并提高性能。引入IRefStructEnumerable，以提高元素为胖结构体(胖结构体是指结构体大小大于16Byte)时的性能。
这个库已经分发在 NuGet上。可以直接通过下面的命令安装 StructLinq :
PM> Install-Package StructLinq 下方就是一个简单的使用，用来求元素和。唯一不同的地方就是需要调用ToStructEnumerable方法。
using StructLinq; int[] array = new [] {1, 2, 3, 4, 5}; int result = array .ToStructEnumerable() .Where(x => (x & 1) == 0, x=>x) .Select(x => x *2, x => x) .Sum(); x=>x用于避免装箱（和分配内存），并帮助泛型参数推断。你也可以通过对Where和Select函数使用结构来提高性能。
所有的跑分结果你可以在这里找到. 举一个例子，下方代码的Linq查询:
list .Where(x => (x & 1) == 0) .Select(x => x * 2) .Sum(); 可以被替换为下面的代码:
list .ToStructEnumerable() .Where(x => (x & 1) == 0) .Select(x => x * 2) .Sum(); 或者你想零分配内存，可以像下面一样写（类型推断出来，没有装箱）:
list .ToStructEnumerable() .Where(x => (x & 1) == 0, x=>x) .Select(x => x * 2, x=>x) .Sum(x=>x); 如果想要零分配和更好的性能，可以像下面一样写：
var where = new WherePredicate(); var select = new SelectFunction(); list .ToStructEnumerable() .Where(ref @where, x => x) .Select(ref @select, x => x, x => x) .Sum(x => x); 上方各个代码的Benchmark结果如下所示:
BenchmarkDotNet=v0.12.1, OS=Windows 10.0.19042 Intel Core i7-8750H CPU 2.20GHz (Coffee Lake), 1 CPU, 12 logical and 6 physical cores .NET Core SDK=5.0.101 [Host] : .NET Core 5.0.1 (CoreCLR 5.0.120.57516, CoreFX 5.0.120.57516), X64 RyuJIT DefaultJob : .NET Core 5.0.1 (CoreCLR 5.0.120.57516, CoreFX 5.0.120.57516), X64 RyuJIT | Method | Mean | Error | StdDev | Ratio | Gen 0 | Gen 1 | Gen 2 | Allocated |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LINQ | 65.116 μs | 0.6153 μs | 0.5756 μs | 1.00 | - | - | - | 152 B |
| StructLinqWithDelegate | 26.146 μs | 0.2402 μs | 0.2247 μs | 0.40 | - | - | - | 96 B |
| StructLinqWithDelegateZeroAlloc | 27.854 μs | 0.0938 μs | 0.0783 μs | 0.43 | - | - | - | - |
| StructLinqZeroAlloc | 6.872 μs | 0.0155 μs | 0.0137 μs | 0.11 | - | - | - | - |
StructLinq在这些场景里比默认的LINQ实现快很多。
我们也把上面的示例代码使用StructLinq改写一下。
// 引用类型使用StructLinq [Benchmark] public double ClassStructLinq() { return ClassArray .ToStructEnumerable() .Where(x => x.Value1 > 5000) .Where(x => x.Value3 > 5000) .Where(x => x.Value7 > DateTime.MinValue) .Where(x => x.Value5 != string.Empty) .Where(x => x.Value6 > 1) .Where(x => x.Value8 > TimeOnly.MinValue) .Where(x => x.Value9 > DateOnly.MinValue) .Skip(100) .Take(10000) .Select(x => x.Value4) .Sum(x => x); } // 结构体类型使用StructLinq [Benchmark] public double StructLinq() { return StructArray .ToStructEnumerable() .Where(x => x.Value1 > 5000) .Where(x => x.Value3 > 5000) .Where(x => x.Value7 > DateTime.MinValue) .Where(x => x.Value5 != string.Empty) .Where(x => x.Value6 > 1) .Where(x => x.Value8 > TimeOnly.MinValue) .Where(x => x.Value9 > DateOnly.MinValue) .Skip(100) .Take(10000) .Select(x => x.Value4) .Sum(x => x); } // 结构体类型 StructLinq 零分配 [Benchmark] public double StructLinqZeroAlloc() { return StructArray .ToStructEnumerable() .Where(x => x.Value1 > 5000, x=> x) .Where(x => x.Value3 > 5000, x => x) .Where(x => x.Value7 > DateTime.MinValue, x => x) .Where(x => x.Value5 != string.Empty, x => x) .Where(x => x.Value6 > 1, x => x) .Where(x => x.Value8 > TimeOnly.MinValue, x => x) .Where(x => x.Value9 > DateOnly.MinValue, x => x) .Skip(100) .Take(10000) .Select(x => x.Value4, x => x) .Sum(x => x); } // 结构体类型 StructLinq 引用传递 [Benchmark] public double StructLinqRef() { return StructArray .ToRefStructEnumerable() // 这里使用的是ToRefStructEnumerable .Where((in SomeStruct x) => x.Value1 > 5000) .Where((in SomeStruct x) => x.Value3 > 5000) .Where((in SomeStruct x) => x.Value7 > DateTime.MinValue) .Where((in SomeStruct x) => x.Value5 != string.Empty) .Where((in SomeStruct x) => x.Value6 > 1) .Where((in SomeStruct x) => x.Value8 > TimeOnly.MinValue) .Where((in SomeStruct x) => x.Value9 > DateOnly.MinValue) .Skip(100) .Take(10000) .Select((in SomeStruct x) => x.Value4) .Sum(x => x); } // 结构体类型 StructLinq 引用传递 零分配 [Benchmark] public double StructLinqRefZeroAlloc() { return StructArray .ToRefStructEnumerable() .Where((in SomeStruct x) => x.Value1 > 5000, x=> x) .Where((in SomeStruct x) => x.Value3 > 5000, x=> x) .Where((in SomeStruct x) => x.Value7 > DateTime.MinValue, x=> x) .Where((in SomeStruct x) => x.Value5 != string.Empty, x=> x) .Where((in SomeStruct x) => x.Value6 > 1, x => x) .Where((in SomeStruct x) => x.Value8 > TimeOnly.MinValue, x=> x) .Where((in SomeStruct x) => x.Value9 > DateOnly.MinValue, x=> x) .Skip(100, x => x) .Take(10000, x => x) .Select((in SomeStruct x) => x.Value4, x=> x) .Sum(x => x, x=>x); } // 结构体 直接for循环 [Benchmark] public double StructFor() { double sum = 0; int skip = 100; int take = 10000; for (int i = 0; i < StructArray.Length; i++) { ref var x = ref StructArray[i]; if(x.Value1 <= 5000) continue; if(x.Value3 <= 5000) continue; if(x.Value7 <= DateTime.MinValue) continue; if(x.Value5 == string.Empty) continue; if(x.Value6 <= 1) continue; if(x.Value8 <= TimeOnly.MinValue) continue; if(x.Value9 <= DateOnly.MinValue) continue; if(i < skip) continue; if(i >= skip + take) break; sum += x.Value4; } return sum; } 最后的Benchmark结果如下所示。
从以上Benchmark结果可以得出以下结论：
StructLinq来减少内存分配。StructLinq都会导致代码跑的更慢。StructLinq的引用传递模式可以获得5倍的性能提升，比引用类型更快。LINQ还是StructLinq由于本身的复杂性，性能都没有For循环来得快。在已经用上结构体的高性能场景，其实不建议使用LINQ了，因为LINQ本身它性能就存在瓶颈，它主要就是为了提升开发效率。建议直接使用普通循环。
如果一定要使用，那么建议大于8byte的结构体使用StructLinq的引用传递模式(ToRefStructEnumerable)，这样可以把普通LINQ结构体的性能提升5倍以上，也能几乎不分配额外的空间。
