在.NET程序中小心使用String类型

在.NET程序中正确使用String类型

在实际程序中，String类型用得非常广泛，然而，由于.NET对String类型变量的独特管理方式，使用不当，会严重影响程序的性能。我们分几个方面来谈这个问题：

1 了解String数据的内存分配方式

编写一个控制台应用程序，输入以下测试代码：

class Program
{
static void Main(string[] args)
{
String s = "a";
s = "abcd";
}
}

使用.NET Framework 2.0 SDK提供的ildasm.exe工具查看生成的MSIL指令：

01 .method private hidebysig static void Main(string[] args) cil managed
02 {
03 .entrypoint
04 // 代码大小 14 (0xe)
05 .maxstack 1
06 .locals init ([0] string s)
07 IL_0000: nop
08 IL_0001: ldstr "a"
09 IL_0006: stloc.0
10 IL_0007: ldstr "abcd"
11 IL_000c: stloc.0
12 IL_000d: ret
13 } // end of method Program::Main

简要解释一下上述MSIL指令代码：
第06句给局部变量s分配一个索引号（索引号从0开始，如函数中有多个局部变量，其索引号按在函数中出现的顺序加一）。
在编译时编译器会将代码中的两个字串“a”和“abcd”写入到程序集的元数据（metadata）中，此时，这两个字串被称为“字串字面量（string literal）”。
第08句使用ldstr指令为字串对象“a”分配内存，并将此对象引用压入到线程堆栈中。
第09句使用stloc指令从线程堆栈顶弹出先前压入的对象引用，将其传给局部变量s（其索引号为0）。
同样的过程对“abcd”重复进行一次，所以这两句简单的代码

String s = "a";
s = "abcd";

将会导致CLR使用ldstr指令分配两次内存。
根据上述分析，读者一定明白了String变量的内容是只读的，给其赋不同的值将会导致内存的重新分配。因此，为提高程序性能，编程时应尽量减少内存的分配操作。
下面对代码中常见的字串用法进行分析，从中读者可以知道如何避免严重影响程序性能的字串操作。

2 尽量少使用字串加法运算符

请看以下两段代码：

（1） String s1 = "ab";
s1+="cd";
（2） String s1="ab"+"cd"；

这两段代码运行结果一样，但速度一样快吗？
请看第（1）段代码生成的MSIL指令：

.locals init ([0] string s1)
IL_0000: nop
IL_0001: ldstr "ab"
IL_0006: stloc.0
IL_0007: ldloc.0
IL_0008: ldstr "cd"
IL_000d: call string [mscorlib]System.String::Concat(string,
string)
IL_0012: stloc.0
IL_0013: ret

再看第（2）段代码生成的指令：

.locals init ([0] string s1)
IL_0000: nop
IL_0001: ldstr "abcd"
IL_0006: stloc.0
IL_0007: ret

可以很清楚地看到，第（1）段代码将导致String类的Concat()方法被调用（实现字串加法运算）。对于第（2）段代码，由于C#编译器聪明地在编译时直接将两个字串合并为一个字串字面量，所以程序运行时CLR只调用一次ldstr指令就完成了所有工作，其执行速度谁快就不言而喻了！

3 避免使用加法运算符连接不同类型的数据

请看以下代码：

String str = "100+100=" + 200;
Console.Writeline(str);

生成的MSIL指令为：

.maxstack 2
.locals init ([0] string str)
IL_0000: nop
IL_0001: ldstr "100+100="
IL_0006: ldc.i4 0xc8
IL_000b: box [mscorlib]System.Int32
IL_0010: call string [mscorlib]System.String::Concat(object,
object)
IL_0015: stloc.0
IL_0016: ldloc.0
IL_0017: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(string)
IL_001c: nop
IL_001d: ret

可以清晰地看到，这两句C#代码不仅导致了String类的Concat()方法被调用（IL_0010），而且还引发了装箱操作（IL_000b）！
Concat()方法会导致CLR为新字串分配内存空间，而装箱操作不仅要分配内存，还需要创建一个匿名对象，对象创建之后还必须有一个数据复制的过程，代价不菲！
改为以下代码：

String str = "100+100=";
Console.Write(str);
Console.WriteLine(200);

生成的MSIL指令为：

.maxstack 1
.locals init ([0] string str)
IL_0000: nop
IL_0001: ldstr "100+100="
IL_0006: stloc.0
IL_0007: ldloc.0
IL_0008: call void [mscorlib]System.Console::Write(string)
IL_000d: nop
IL_000e: ldc.i4 0xc8
IL_0013: call void [mscorlib]System.Console::WriteLine(int32)
IL_0018: nop
IL_0019: ret

可以看到，虽然多了一次方法调用（Console.Write）方法，但却避免了复杂的装箱操作，也避免了调用String.Concat()方法对内存的频繁分配操作，性能更好。

4．在循环中使用StringBuilder代替String实现字串连接

在某些场合需要动态地将多个子串连接成一个大字串，比如许多复杂的SQL命令都是通过循环语句生成的。这时，应避免使用String类的加法运算符，举个简单的实例：

String str ="";
for (int i = 1; i <= 10; i++)
{
str += i;
if(i<10)
str += "+";
}

上述代码将生成一个字串：1+2+…+10。
有了前面的知识，读者一定知道这将导致进行10次装箱操作，19次字串内存分配操作（由String.Concat()方法引发），由于生成的MSIL指令太长，此处不再列出，请读者自行用ildasm.exe工具查看上述代码生成的MSIL指令。
改为以下代码，程序性能会好很多：

//预先分配1K的内存空间
StringBuilder sb = new StringBuilder(1024);
for (int i = 1; i <= 10; i++)
{
sb.Append(i);
if(i<10)
sb.Append("+");
}
String result = sb.ToString();

通过使用ildasm.exe工具查看生成的MSIL代码，发现虽然上述代码生成的MSIL指令比前面多了7条，但却避免了耗时的装箱操作，而且内存分配的次数也少了很多。当循环的次数很大时，两段代码的运行性能差异很大。