《图解 C# 教程第5版》与性能优化

这本书仍然是入门 C# 最好的一本书。

这本书新版出来的时候我十分关注，于是英子姐送了一本给我，本文也是答应英子姐所写的一篇文章。她一开始还问我“你现在还需要看这本入门书吗？”，我认为是的。工作了遇到了不少问题，大都跟自己基础不牢有关系。

这本书以图形为载体，生动地介绍了 C# 语言本身。其中图形对我们了解 C# 语法在内存中的本质十分有帮助，异步、异常等章节中的处理流程图也很清晰明了，这也是我看重的一点。

本文会从本书出发，简单讲讲代码优化的一些点。

在内存中的形态

为什么要了解 C# 在内存中的形态呢？

书中第四章介绍内存区域的栈中，有一句话说的很好：

作为程序员，你不需要显式地对它做任何事情。但了解栈的基本功能可以更好地了解程序在运行时在做什么，并能更好地了解 C# 文档和著作。

游戏开发中，除了业务逻辑，我们还会更关注游戏的性能本身。我们需要保证游戏能流畅运行在大部分机型上，保证每一帧能流畅地播放，例如 CPU 需要处理渲染代码、物理模拟、动画回调等等，其中我们的代码也有可能引起性能问题。我们需要更了解执行代码的代价，例如：

这些代码产生了多少 GC
GC 只会产生一次还是每帧都会产生
在极端情况下代码的性能如何
是否使用了正确的数据结构
Unity API 或者一些库 API 的背后到底做了什么
…

这本书相对上一版多了 .Net Core, C# 7.0 语法的讲解，对于我而言，重温的是第 4、7、11、13、15、17、19 和 27 章节，这些内容是我工作中经常要接触、着手优化的地方。书中对于异步编程也介绍地很好，但对于我来说，反射、异步编程、新增语法等到以后有需要再看也不迟。

脚本的性能优化，无非是用更合适的代码去实现需求，不必要的内存都给我吐出来！（注：作者在生活中并没有这么吝啬）

下面会列举一些代码写法的性能对比。

结构和类

这其实也是用栈还是用堆的考量。

垃圾回收

Unity 用的是 mono 虚拟机，其堆的内存是通过垃圾回收算法 Boehm GC 来管理的，其不分代（Non-generational）和非压缩式（Non-compacting）的特性，导致了我们平常要注意避免加载过多的小内存，从而内存碎片化（Memory fragmentation）。

分代：大块内存、小内存、超小内存分在不同内存区域来进行管理。此外还有长久内存，当有一个内存很久没动的时候会移到长久内存区域中，从而省出内存给更频繁分配的内存。
压缩式：当有内存被回收的时候，压缩内存会把下图空的地方重新排布。
内存碎片化：内存过多小内存，导致大内存不能有效地被使用。

具体可以参考 Unity 文档 Understanding the managed heap

同时也推荐高川老师的演讲：浅谈 Unity 内存管理，和我看视频时的笔记：笔记。

用结构还是类

这里推一篇微软官方文档：Choosing Between Class and Struct

引用类型被分配在堆上并被垃圾回收算法管理，值类型则分配在栈上，栈会按需 unwind 来释放他们。因此，值类型的释放比引用类型的释放开销要小。

书中 11.9 小节还提到：

对结构进行分配的开销比创建类实例小，所以使用结构代替类有时可以提高性能，但要注意装箱和拆箱的高昂代价。

值类型数组的分配和释放比引用类型数组的分配和释放开销也更小。

除了最基本的修改值类型和引用类型的区别外，要注意的是传递参数或者返回返回值的时候，值类型都会隐性地被创建，这可能也会产生没想到的内存开销。

从 .Net 内存分配成本的角度来说，类的对象储存的内存首先需要分配 4 个字节作为对象头字节（object header word），跟着再分配 4 个字节作为方法表指针（method table pointer），这些字段是服务于 JIT 和 CIL 的，是隐藏的分配成本。

保留在堆中所需的内存还会根据操作系统位数来决定：

32 位系统中，堆上的对象会对齐到最近 4 字节的倍数，因此如果一个对象只有一个 byte 成员，也需要对齐占 4 个字节，因此这个对象总共占堆上 12 个字节。
64 位系统中，堆上的对象会对齐到最近 8 字节的倍数，方法表指针和对象头字节也会分别占 8 字节的内存。

（注：平常开发我们不需要这么抠门，上面只是一个小知识点。）

大多时候我们都会用类型来实现设计模式、框架的设计，那什么时候使用结构体呢？我们可以遵循微软爸爸的建议：

逻辑上表示单个值
大小小于 16 个字节
不会改变值
不需要经常装箱拆箱

对于一些特定的场景下，我们也可以享受值类型数组在内存中线性排布的福利，例如内存连续、SIMD 等。Unity 的 DOTS 技术栈就是一个很好的例子。

装箱

第 17 章介绍了转换，其中提到了装箱拆箱。那么装箱的代价有多大呢？我们可以做个测试：

public const int Iterations = 100_000;

// 其他地方初始化了 Iterations 大小的随机数组
private int[] numberArr = null; 

protected override bool MeasureTestA()
{
	// 设定大小以避免自动扩容带来的性能消耗
    Stack stack = new Stack(Iterations); 
    for (int i = 0; i < Iterations; i++)
    {
        stack.Push(numberArr[i]); // int -> object 装箱
    }

    return true;
}

protected override bool MeasureTestB()
{
    Stack<int> genericStack = new Stack<int>(Iterations);
    for (int i = 0; i < Iterations; i++)
    {
        genericStack.Push(numberArr[i]);
    }

    return true;
}