最近在為 Newbe.Claptrap 做性能升級，因此將過程中使用到的 dotTrace 軟體的基礎用法介紹給各位開發者。
開篇摘要
dotTrace 是 Jetbrains 公司為 .net 應用提供的一款 profile 軟體。有助於對於軟體中的耗時函數和記憶體問題進行診斷分析。
本篇，我們將使用 Jetbrains 公司的 dotTrace 軟體對一些已知的性能問題進行分析。從而使讀者能夠掌握使用該軟體的基本技能。
過程中我們將搭配一些經典的面試問題進行演示，逐步解釋該軟體的使用。
此次示例使用的是 Rider 作為主要演示的 IDE。 開發者也可以使用 VS + Resharper 做出相同的效果。
如何獲取 dotTrace
dotTrace 是付費軟體。目前只要購買 dotUltimate 及以上的許可證便可以直接使用該軟體。
當然，該軟體也包含試用版本，可以免費開啟 7 天的試用時間。Jetbrains 的 IDE 購買滿一年以上即可獲取一個當前最新的永久使用版本。
或者也可以直接購買 Jetbrains 全家桶許可證，一次性全部帶走。
經典場景再現
接下來，我們通過一些經典的面試問題，來體驗一下如何使用 dotTrace。
何時要使用 StringBuilder
這是多麼經典的面試問題。能夠看到這篇文章的朋友，我相信各位都知道 StringBuilder 能夠減少 string 直接拼接的碎片，減少記憶體壓力這個道理。
我們這是真的嗎？會不會只是面試官想要刁難我，欺負我信息不對稱呢？
沒有關係，接下來，讓我們使用 dotTrace 來具體的結合代碼來分析一波。看看使用 StringBuilder 究竟有沒有減低記憶體分配的壓力。
首先，我們創建一個單元測試專案，並添加以下這樣一個測試類：
using System.Linq;
using System.Text;
using NUnit.Framework;
namespace Newbe.DotTrace.Tests
{
public class X01StringBuilderTest
{
[Test]
public void UsingString()
{
var source = Enumerable.Range(0, 10)
. Select(x => x.ToString())
. ToArray();
var re = string. Empty;
for (int i = 0; i < 10_000; i++)
{
re += source[i % 10];
}
}
[Test]
public void UsingStringBuilder()
{
var source = Enumerable.Range(0, 10)
. Select(x => x.ToString())
. ToArray();
var sb = new StringBuilder();
for (var i = 0; i < 10_000; i++)
{
sb. Append(source[i % 10]);
}
var _ = sb. ToString();
}
}
}
然後，如下圖所示，我們將 Rider 中的 profile 模式設定為 Timeline 。
TimeLine 是多種模式中的一種，相較而言，該模式可以更全面的瞭解各個線程的工作情況，包括有記憶體分配、IO 處理、鎖、反射等等多維度數據。這將會作為本示例主要使用的一種模式。
接著，如下圖所示，通過單元測試左側的小圖示啟動對應測試的 profile。
啟動 profile 之後，等待一段時間之後，便會出現最新生成的 timeline 報告。檢視報告的位置的一個不使用：
右鍵選擇對應的報告，選擇"Open in External Viewer"，便可以使用 dotTrace 打開生成好的報告。
那麼首先，讓我打開第一個報告，查看 UsingString 方法生成的報告。
如下圖所示，選擇 .Net Memory Allocations 以查看該測試運行過程中分配的記憶體數額。
根據上圖我們可以得出以下結論：
- 在這測試中，有 102M 的記憶體被分配給 String 。注意，在 dotTrace 中顯示的分配是指整個運行過程中全部分配的記憶體。即使後續被回收，該數值也不會減少。
- 記憶體的分配只要在 CLR Worker 線程進行。並且非常的密集。
Tip： Timeline 所顯示的運行時間比正常運行測試的時間更長，因為在 profile 過程中需要對資料進行記錄會有額外的消耗。
因此，我們就得出了第一個結論：使用 string 進行直接拼接，確實會消耗更多的記憶體分配。
接著，我們繼續按照上面的步驟，查看一下 UsingStringBuilder 方法的報告，如下所示：
根據上圖，我們可以得出第二個結論：使用 StringBuilder 可以明顯的減少相較於 string 直接拼接所消耗的記憶體。
當然，我們得到的最終的結論其實是：看來面試官不是糊弄人。
class和struct對記憶體有什麼影響
class 和 struct 的區別有很多，面試題常客了。其中，兩者在記憶體方面就存在區別。
那麼我們通過一個測試來看看區別。
using System;
using System.Collections.Generic;
using NUnit.Framework;
namespace Newbe.DotTrace.Tests
{
public class X02ClassAndStruct
{
[Test]
public void UsingClass()
{
Console.WriteLine($"memory in bytes before execution: {GC. GetGCMemoryInfo(). TotalAvailableMemoryBytes}");
const int count = 1_000_000;
var list = new List<Student>(count);
for (var i = 0; i < count; i++)
{
list. Add(new Student
{
Level = int. MinValue
});
}
list. Clear();
var gcMemoryInfo = GC. GetGCMemoryInfo();
Console.WriteLine($"heap size: {gcMemoryInfo.HeapSizeBytes}");
Console.WriteLine($"memory in bytes end of execution: {gcMemoryInfo.TotalAvailableMemoryBytes}");
}
[Test]
public void UsingStruct()
{
Console.WriteLine($"memory in bytes before execution: {GC. GetGCMemoryInfo(). TotalAvailableMemoryBytes}");
const int count = 1_000_000;
var list = new List<Yueluo>(count);
for (var i = 0; i < count; i++)
{
list. Add(new Yueluo
{
Level = int. MinValue
});
}
list. Clear();
var gcMemoryInfo = GC. GetGCMemoryInfo();
Console.WriteLine($"heap size: {gcMemoryInfo.HeapSizeBytes}");
Console.WriteLine($"memory in bytes end of execution: {gcMemoryInfo.TotalAvailableMemoryBytes}");
}
public class Student
{
public int Level { get; set; }
}
public struct Yueluo
{
public int Level { get; set; }
}
}
}
代碼要點：
- 兩個測試，分別創建 1，000，000 個 class 和 struct 加入到 List 中。
- 運行測試之後，在測試的末尾輸出當前堆空間的大小。
按照上一節提供的基礎步驟，我們對比兩個方法生成的報告。
UsingClass
UsingStruct
對比兩個報告，可以得出以下這些結論：
- Timeline 報告中的記憶體分配，只包含分配在堆上的記憶體情況。
- struct 不需要分配在堆上，但是，陣列是引用物件，需要分配在堆上。
- List 自增的過程本質是擴張陣列的特性在報告中也得到了體現。
- 另外，沒有展示在報告上，而展示在測試列印文本中可以看到，UsingStruct 運行之後的堆大小也證實了struct不會被分配在堆上。
裝箱和拆箱
經典面試題 X3，來，上代碼，上報告！
using NUnit.Framework;
namespace Newbe.DotTrace.Tests
{
public class X03Boxing
{
[Test]
public void Boxing()
{
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
{
UseObject(i);
}
}
[Test]
public void NoBoxing()
{
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
{
UseInt(i);
}
}
public static void UseInt(int age)
{
// nothing
}
public static void UseObject(object obj)
{
// nothing
}
}
}
Boxing，發生裝箱拆箱
NoBoxing，未發生裝箱拆箱
對比兩個報告，可以得出以下這些結論：
- 沒有買賣就沒有殺害，沒有裝拆就沒有分配消耗。
Thread.Sleep 和 Task.Delay 有什麼區別
經典面試題 X4，來，上代碼，上報告！
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using NUnit.Framework;
namespace Newbe.DotTrace.Tests
{
public class X04SleepTest
{
[Test]
public Task TaskDelay()
{
return Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(3));
}
[Test]
public Task ThreadSleep()
{
return Task.Run(() => { Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(3)); });
}
}
}
ThreadSleep
TaskDelay
對比兩個報告，可以得出以下這些結論：
- 在 dotTrace 中 Thread.Sleep 會被單獨標記，因為這是一種性能不不佳的做法，容易造成線程饑餓。
- Thread.Sleep 比起 Task.Delay 會多出一個線程處於 Sleep 狀態
阻塞大量的 Task 真的會導致應用一動不動嗎
有了上一步的結論，筆者產生了一個大膽的想法。我們都知道線程的有限的，那如果啟動非常多的 Thread.Sleep 或者 Task.Delay 會如何呢？
來，程式碼：
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using NUnit.Framework;
namespace Newbe.DotTrace.Tests
{
public class X04SleepTest
{
[Test]
public Task RunThreadSleep()
{
return Task.WhenAny(GetTasks(50));
IEnumerable<Task> GetTasks(int count)
{
for (int i = 0; i < count; i++)
{
var i1 = i;
yield return Task.Run(() =>
{
Console.WriteLine($"Task {i1}");
Thread.Sleep(int. MaxValue);
});
}
yield return Task.Run(() => { Console.WriteLine("yueluo is the only one dalao"); });
}
}
[Test]
public Task RunTaskDelay()
{
return Task.WhenAny(GetTasks(50));
IEnumerable<Task> GetTasks(int count)
{
for (int i = 0; i < count; i++)
{
var i1 = i;
yield return Task.Run(() =>
{
Console.WriteLine($"Task {i1}");
return Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(int. MaxValue));
});
}
yield return Task.Run(() => { Console.WriteLine("yueluo is the only one dalao"); });
}
}
}
}
這裡就不貼報告了，讀者可以試一下這個測試，也可以將報告的內容寫在本文的評論中參與討論~
反射調用和表達式樹編譯調用
有時，我們需要動態調用一個方法。最廣為人知的方式就是使用反射。
但是，這也是廣為人知的耗時相對較高的方式。
這裏，筆者提供一種使用表達式樹創建委託來取代反射提高效率的思路。
那麼，究竟有沒有減少時間消耗呢？好報告，自己會說話。
using System;
using System.Diagnostics;
using System.Linq.Expressions;
using NUnit.Framework;
namespace Newbe.DotTrace.Tests
{
public class X05ReflectionTest
{
[Test]
public void RunReflection()
{
var methodInfo = GetType(). GetMethod(nameof(MoYue));
Debug.Assert(methodInfo != null, nameof(methodInfo) + " != null");
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
{
methodInfo.Invoke(null, null);
}
Console.WriteLine(_count);
}
[Test]
public void RunExpression()
{
var methodInfo = GetType(). GetMethod(nameof(MoYue));
Debug.Assert(methodInfo != null, nameof(methodInfo) + " != null");
var methodCallExpression = Expression.Call(methodInfo);
var lambdaExpression = Expression.Lambda<Action>(methodCallExpression);
var func = lambdaExpression.Compile();
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
{
func. Invoke();
}
Console.WriteLine(_count);
}
private static int _count = 0;
public static void MoYue()
{
_count++;
}
}
}
RunReflection，直接使用反射調用。
RunExpression，使用運算式樹編譯一個委託。
本篇小結
使用 dotTrace 可以查看方法的記憶體和時間消耗。本篇所演示的內容只是其中很小的部分。開發者們可以嘗試上手，大有裨益。
本篇內容中的範例代碼，均可以在以下連結主目錄中找到：