C# 迴圈效能分析
C# 迴圈效能分析 – 如何優化
前言
此篇文章是在職場上經驗談，給各位做個參考。
在談論編程語言，特別是像 C# 這樣的現代語言時，經常會聚焦於它們的功能性、靈活性和用途的多樣性。然而，有一個方面同樣重要，卻經常被忽視，那就是代碼的效能。特別是在處理重複任務時，迴圈的效能對於整體應用程序的表現至關重要。
C# 迴圈，作為一種基本的編程結構，允許重複執行一段代碼，直到滿足特定條件。在 C# 中，迴圈的使用無處不在，從簡單的數據處理到複雜的算法實現。因此，理解不同迴圈結構的效能特點，並根據具體情況選擇合適的迴圈類型，對於開發高效、可靠的軟件至關重要。
在這篇文章中，將深入探討 C# 中常見的兩種迴圈——for 和 foreach。會比較它們在不同情境下的效能表現，並討論在追求代碼效能的同時，如何平衡代碼的可讀性和維護性。寫程式的目標是提供一個全面的視角，幫助開發者在面對不同的編程挑戰時，能夠做出明智的選擇。
雖然在此將討論效能的技術細節，但著重的重點是提供實用的指導，而不是深入每一個低級的效能優化技巧。畢竟，在現實世界的軟件開發中，效能雖重要，但代碼的可讀性、可維護性和正確性同樣不可或缺。(本章節針對C# 迴圈的效能分析，建議先閱讀C# 迴圈章節後續再來看此章節)
Outline
for 與 foreach 的效能比較 – C# 迴圈
在 C# 中，for 和 foreach 是最常用的迴圈結構，它們各有特點和適用場景。理解它們在不同情況下的效能表現，對於寫出高效的 C# 代碼至關重要。
for 迴圈的效能特點
for 迴圈是最基本的迴圈結構之一。它的特點是迭代次數在迴圈開始前就已確定，並且通過索引直接訪問元素。這種迴圈對於需要精確控制迭代次數和迭代順序的場景非常有效，如數組或列表的遍歷。
在效能方面，for 迴圈通常表現出較高的效率，特別是在處理大型數據集時。這是因為它允許直接通過索引訪問元素，減少了額外的方法調用或中間變量的創建。此外，for 迴圈的迭代條件和增量表達式提供了更多的優化空間，使得編譯器能夠更有效地優化代碼。
foreach 迴圈的效能特點
foreach 迴圈在 C# 中被廣泛使用，特別是在需要遍歷集合元素時，主要優勢在於代碼的可讀性和簡潔性，其能夠自動處理迭代過程，不需要手動控制索引或檢查終止條件，使得代碼更加清晰和易於維護。
然而，從效能的角度來看，foreach 迴圈通常比 for 迴圈慢，這是因為 foreach 在迭代過程中涉及更多的底層操作，如枚舉器的創建和管理。對於某些集合類型，如 List<T> 或自定義集合，這些額外操作可能導致顯著的效能開銷。此外，foreach 迴圈不允許修改正在迭代的集合，這在某些情況下可能是一個限制。
數組(Array)和集合(Collection)類型中的效能差異
在處理數組時，for 和 foreach 的效能差異通常不大。這是因為 C# 編譯器對數組的 foreach 迴圈進行了優化，使其效能接近於 for 迴圈。然而，在處理更複雜的集合類型，如 List<T> 或 Dictionary<TKey, TValue> 時，for 迴圈（尤其是通過索引訪問）通常會提供更好的效能。
實際應用中的迴圈選擇 – C# 迴圈
在 C# 程序設計中，選擇合適的迴圈類型對於確保代碼的效能和可讀性都至關重要。根據不同的應用場景和需求，for 和 foreach 迴圈各有其適用之處。下方呈現的表格，幫各位整理當遇到在不同情況下，使用哪種迴圈類型會更加合適:
| 迴圈類型 | 情況 | 說明 |
|---|---|---|
| for 迴圈 | 處理大型數據集 | 當需要處理大量數據，尤其是在性能敏感的應用中，for 迴圈通常是更好的選擇。由於其直接通過索引訪問元素，可以減少不必要的資源消耗。 |
| for 迴圈 | 需要精確控制迭代 | 在需要精確控制迭代過程的情況下，如跳過特定元素或在特定條件下提前終止迴圈，for 迴圈提供了更大的靈活性。 |
| for 迴圈 | 優化關鍵代碼段 | 在性能關鍵的代碼段中，for 迴圈的優化潛力更大，特別是當迴圈體中的操作相對輕量時。 |
| foreach 迴圈 | 提高代碼可讀性 | 當代碼的清晰度和簡潔性是首要考慮時，foreach 迴圈是一個理想選擇。它使代碼更易於理解和維護，特別是對於較為複雜的集合操作。 |
| foreach 迴圈 | 遍歷集合元素 | 對於簡單的集合遍歷，尤其是不需要修改集合本身時，foreach 迴圈提供了一種簡潔且安全的方式來訪問每個元素。 |
| foreach 迴圈 | 避免索引錯誤 | 使用 foreach 迴圈可以避免與索引操作相關的錯誤，這在處理複雜數據結構時尤其有用。 |
案例分析
- 數據分析應用：在數據密集型應用中，如數據分析或機器學習，選擇 for 迴圈可以最大化效能，特別是在處理大型數組或多維數據結構時。
- 業務邏輯處理：在業務邏輯處理或應用程序的高層代碼中，foreach 迴圈通常更合適，因為它提高了代碼的可讀性和維護性，而這些場景中效能的差異通常不是主要關注點。
優化迴圈的技巧 – C# 迴圈
在 C# 程序設計中，迴圈的效能優化是提升整體應用性能的關鍵之一。以下是一些實用的技巧，可以幫助開發者優化迴圈，無論是在 for 迴圈還是 foreach 迴圈中。
1. 最小化迴圈內部的計算
- 預計算：在迴圈開始之前，盡可能地進行計算。例如，如果迴圈中的某個計算不依賴於迴圈的迭代變量，那麼將其移出迴圈外部可以減少不必要的重複計算。
- 簡化表達式：簡化迴圈內的運算表達式。避免使用複雜的算術或邏輯運算，特別是那些在每次迭代中都會執行的運算。
2. 減少對集合的重複訪問
- 緩存集合長度：在 for 迴圈中，如果需要多次訪問集合的長度或大小，最好將其存儲在一個變量中，以避免每次迭代時都計算長度。
- 直接訪問元素：當使用索引訪問集合元素時，直接訪問而不是通過方法調用可以提高效能，尤其是在訪問大型數組或列表時。
3. 避免不必要的資源消耗
- 減少對象創建：避免在迴圈內部創建不必要的對象。對象的創建和銷毀可能會導致顯著的性能開銷。(當過多得CG發生，會產生不必要花費的時間)
- 使用結構而非類別：在可能的情況下，使用結構（struct）而非類（class）。由於結構在棧上分配，它們通常比堆上分配的類更有效率。(視使用情況決定，而非一定)
4. 利用現代 C# 語言特性
- 使用 Span<T> 和 Memory<T>：對於大型數據集的操作，考慮使用 Span<T> 或 Memory<T> 來減少記憶體的複製和分配。(Span<T>使用方式可參考這篇文章)
- 平行處理：對於可以並行執行的迴圈，使用 Parallel.For 或 Parallel.ForEach 可以在多核心處理器上實現顯著的性能提升。
5. 進行性能測試
- 基準測試：使用基準測試工具（如 BenchmarkDotNet）來測量不同迴圈結構和優化技巧的實際效能影響。(BenchmarkDotNet在這篇有提到可以參考)
- 分析和調整：根據性能測試的結果，分析迴圈的瓶頸並進行相應的調整。記住，不同的應用和數據集可能需要不同的優化策略。
6. C# 迴圈實驗
實驗結果如下方圖表，時間單位皆為us
| Method:函數名稱 | Size | Mean | Error | StdDev | Rank |
|---|---|---|---|---|---|
| ArrayForLoop | 10000 | 4.645 | 0.0115 | 0.0102 | 1 |
| ListForLoop | 10000 | 6.720 | 0.0186 | 0.0165 | 2 |
| ArrayForLoop | 100000 | 45.990 | 0.1081 | 0.1011 | 3 |
| ArrayForeachLoop | 10000 | 64.011 | 0.2597 | 0.2430 | 4 |
| ArrayForeachLoop | 100000 | 63.916 | 0.4223 | 0.3950 | 4 |
| ArrayForeachLoop | 200000 | 64.140 | 0.2555 | 0.2390 | 4 |
| ListForLoop | 100000 | 66.821 | 0.2278 | 0.1902 | 5 |
| ArrayForLoop | 200000 | 91.836 | 0.3348 | 0.3132 | 6 |
| ListForLoop | 200000 | 133.769 | 0.5465 | 0.5112 | 7 |
| ListForeachLoop | 10000 | 309.269 | 0.8446 | 0.7487 | 8 |
| ListForeachLoop | 100000 | 309.014 | 1.2079 | 1.0708 | 8 |
| ListForeachLoop | 200000 | 309.202 | 1.4495 | 1.2850 | 8 |
*圖表Legends *
Size : Value of the ‘Size’ parameter (迴圈次數)
Mean : Arithmetic mean of all measurements
Error : Half of 99.9% confidence interval
StdDev : Standard deviation of all measurements
Rank : Relative position of current benchmark mean among all benchmarks (Arabic style)
1 us : 1 Microsecond (0.000001 sec)
實驗程式碼
LoopsBenckMark類別:
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 |
[SimpleJob(RuntimeMoniker.Net48)] [RankColumn(BenchmarkDotNet.Mathematics.NumeralSystem.Arabic)] public class LoopsBenchMark { public const int MaxTestNum = 200000; public LoopsBenchMark() { IntegerArray = new int[MaxTestNum]; IntegerList = new List<int>(MaxTestNum); for(int i = 0; i < MaxTestNum; i++) { IntegerArray[i] = i; IntegerList.Add(i); } } [Params(10000, 100000, MaxTestNum)] public int Size { get;set; } private readonly int[] IntegerArray; private readonly List<int> IntegerList; [Benchmark] public int ArrayForLoop() { int temp = 0; for (int i = 0; i < Size; i++) { temp += IntegerArray[i]; } return temp; } [Benchmark] public int ListForLoop() { int temp = 0; for (int i = 0; i < Size; i++) { temp += IntegerList[i]; } return temp; } [Benchmark] public int ArrayForeachLoop() { int temp = 0; foreach (var val in IntegerArray) { temp += val; } return temp; } [Benchmark] public int ListForeachLoop() { int temp = 0; foreach (var val in IntegerList) { temp += val; } return temp; } } |
Main執行類別
|
1 2 3 4 5 6 7 8 |
internal class Program { static void Main(string[] args) { var summary = BenchmarkRunner.Run<LoopsBenchMark>(); Console.ReadKey(); } } |
根據測試結果能夠發現，Array使用上的效能基本上都比List優異，For迴圈比Foreach更高效。
結論
最後來總結一下吧! 在 C# 程序設計的世界裡，迴圈是個挺基本但又非常重要的部分。就像我們平時走路一樣，走得怎麼樣，速度快不快，都會影響到達目的地的時間。迴圈也是這樣，它怎麼寫，怎麼運行，直接關係到我們的程序跑得快不快，效率好不好。
在這篇還談了談 for 和 foreach 迴圈。基本上，for 迴圈在處理大量數據或者需要精確控制迭代時表現得比較好。但這不是說 foreach 就不好，它在代碼可讀性和簡潔性上有優勢，特別是當開發上需要遍歷一些集合元素時。
別忘了，選擇哪種迴圈不僅僅是看誰跑得快。有時候，更需要的是清晰和易於維護的代碼，這樣才能讓未來的工作更順利，不是嗎？所以，選擇 for 還是 foreach，或者怎麼優化迴圈，這些都得根據你的具體情況來決定，而非絕對!
最後，我想說的是，寫代碼就像做手工藝一樣，需要耐心和細心，飲用九把刀書中的一句話“慢慢來，比較快”。不斷嘗試，不斷優化，這樣才能做出既快速又好用的程序。當然，別忘了偶爾停下來，看看你的代碼，想想還有沒有更好的寫法。畢竟，學無止境，對吧？
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