String.ToCharArray()方法中的内存优化技巧

先看下Reflector.exe反汇编.net framework 2.0中Mscorlid.dll，得到String.ToCharArray ()源码： //.net framework 2.0
public unsafe char[] ToCharArray()
...{
      int num1 = this.Length;
      char[] chArray1 = new char[num1];
      if (num1 > 0)
      ...{
            fixed (char* chRef1 = &this.m_firstChar)
            ...{
               //使用fixed，防止gc执行垃圾回收后移动堆上的对象而造成无效指针
                  fixed (char* chRef2 = chArray1)
                  ...{
                        string.wstrcpyPtrAligned(chRef2, chRef1, num1);
                        chRef1 = null;
                  }
            }
      }
      return chArray1;
}

private static unsafe void wstrcpyPtrAligned(char* dmem, char* smem, int charCount)
...{
      while (charCount >= 8)//四重展开
      ...{
            *((int*) dmem) = *((uint*) smem); //拷贝32bit
            *((int*) (dmem + 2)) = *((uint*) (smem + 2));
            *((int*) (dmem + 4)) = *((uint*) (smem + 4));
            *((int*) (dmem + 6)) = *((uint*) (smem + 6));
            dmem += 8;
            smem += 8;
            charCount -= 8;
      }
      if ((charCount & 4) != 0)
      ...{
            *((int*) dmem) = *((uint*) smem);
            *((int*) (dmem + 2)) = *((uint*) (smem + 2));
            dmem += 4;
            smem += 4;
      }
      if ((charCount & 2) != 0)
      ...{
            *((int*) dmem) = *((uint*) smem);
            dmem += 2;
            smem += 2;
      }
      if ((charCount & 1) != 0)
      ...{
            dmem[0] = smem[0];
      }
}

      ToCharArray中使用了fixed来防止gc执行垃圾回收后移动托管堆上的对象。托管堆的工作方式类似于栈，在某种程度上，连续的对象会在内存紧挨的位置放置，这样很容易使用指向下一个空闲存储单元的堆指针，来确定下一个对象的位置。在gc回收不再引用的对象所占用的内存后，现存对象在内存的位置可能不再连续，此时gc会把所有对象移动到托管堆的端部，在次形成一个连续的块。当然，在移动对象时，这些对象的所有引用都需要用正确的新地址来更新。gc的这个压缩操作时托管的堆与非托管堆的区别所在。使用托管堆，就只需要读取堆指针的值即可，而不是搜索链接地址列表，来查找一个地方放置新对象。因此在.net下实例化对象要快得多。
      使用了fixed后，在fixed块语句内指针所指向的对象将不会在托管堆上移动，从而保证wstrcpyPtrAligned方法中的指正都指向正确的内存地址。

 

wstrcpyPtrAligned方法中也用几点内存优化技巧(《代码优化规则》摘录了更多的技巧)：
1.   *((int*) targetAddress) = *((uint*) originalAddress);
        将执行char的指针转换成指向int/uint的指针，从而实现每次读取32bit的数据。

2.   while (charCount >= 8){}
        按四重展开循环。流水线型CPU对分支语句表现出过度敏感，从而降低了分支语句的执行速度（循环语句也是一种分支语句）。可以把CPU比作赛跑选手，把代码比作跑道，选手会在每个弯道（分支语句）处减速。循环展开有助于减少分支，从而减少运行时间。一般按4/8/16重展开，再继续展开的话，优化效果可以忽略，而书写的代码量大，CPU的Cache也容不下这个庞然大物。--《代码优化：有效使用内存》

3.   *((int*) dmem) = *((uint*) smem);
       *((int*) (dmem + 2)) = *((uint*) (smem + 2));
       *((int*) (dmem + 4)) = *((uint*) (smem + 4));
       *((int*) (dmem + 6)) = *((uint*) (smem + 6));
       dmem += 8;
       smem += 8;
前面四条语句都是根据dmen/smen+X来定位地址，消除了语句之间的数据相关性。如果写成下面这样：
*((int*) dmem) = *((uint*) smem);
dmem += 2; smem += 2;
*((int*) dmem) = *((uint*) smem);
dmem += 2; smem += 2;
*((int*) dmem) = *((uint*) smem);
dmem += 2; smem += 2;
*((int*) dmem) = *((uint*) smem);
dmem += 2; smem += 2;
这种写法不但增加了代码量，而且还降低了指令执行的并发度。

 

另外，.net framework 1.1中的ToCharArray()的实现与2.0版本中的有所不同,下面是ToCharArray方法的源码:

//.net framework 1.1
public char[] ToCharArray()
...{
      return this.ToCharArray(0, this.Length);
}

public char[] ToCharArray(int startIndex, int length)
...{
      if (((startIndex < 0) || (startIndex > this.Length)) || (startIndex > (this.Length - length)))
      ...{
            throw new ArgumentOutOfRangeException("startIndex", Environment.GetResourceString("ArgumentOutOfRange_Index"));
      }
      if (length < 0)
      ...{
            throw new ArgumentOutOfRangeException("length", Environment.GetResourceString("ArgumentOutOfRange_Index"));
      }
      char[] chArray1 = new char[length];
      this.InternalCopyTo(startIndex, chArray1, 0, length);
      return chArray1;
}

[MethodImpl(MethodImplOptions.InternalCall)]
internal extern void InternalCopyTo(int sourceIndex, char[] destination, int destinationIndex, int count);