.NET8极致性能优化Primitives-DateTime

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