NativeBuffering,一种高性能、零内存分配的序列化解决方案[性能测试篇]

第一版的NativeBuffering（[上篇]、[下篇]）发布之后，我又对它作了多轮迭代，对性能作了较大的优化。比如确保所有类型的数据都是内存对齐的，内部采用了池化机器确保真正的“零内存分配”等。对于字典类型的数据成员，原来只是“表现得像个字段”，这次真正使用一段连续的内存构架了一个“哈希表”。我们知道对于每次.NET新版本的发布，原生的JSON序列化（System.Text.Json）的性能都作了相应的提升，本篇文章通过具体的性能测试比较NativeBuffering和它之间的性能差异。

一、一种“特别”的序列化解决方案
二、Source Generator驱动的编程模式
三、序列化性能比较
四、原生类型性能“友好”
五、Unmanaged 类型“性能加速”
六、无需反序列化
七、数据读取的成本

一、一种“特别”的序列化解决方案

一般的序列化/发序列化都是数据对象和序列化结果（字符串或者单纯的字节序列）之间的转换。以下图为例，我们定义了一个名为Person的数据类型，如果采用典型的JSON序列化方案，序列化器会将该对象转换成一段具有JSON格式的字符串，这段字符串可以通过反序列化的方式“恢复”成一个Person对象。

如果采用NativeBuffering序列化解决方案，它会引入一个新的数据类型PersonBufferedMessage，我们采用Source Generator的方式根据Person的数据结构自动生成PersonBufferedMessage类型。除此之外，PersonBufferedMessage还会为Person生成额外的方式将自身对象以字节的方式写入提供的缓冲区。

换句话说，Person对象会转换成一段连续的字节序列化，PersonBufferedMessage就是对这段字节序列的封装。它的数据成员（Name、Age和City）不再定义成“地段”，而被定义成“只读属性”，它能找到对应的数据成员在这段字节序列中的位置，从而将其读出来。为了提供数据读取的性能，所有的数据成员在序列化字节序列中总是按照“原生（Native）”的形式存储，并且确保是内存对齐的。也正是这个原因，NativeBuffering并不是一个跨平台的序列化解决方案。

二、Source Generator驱动的编程模式

NativeBuffering的整个编程围绕着“Source Generator”进行的，接下来我们简单演示一下如何使用它。我们在一个控制台程序中添加NativeBuffering相关的两个NuGet包NativeBuffering和NativeBuffering.Generator（使用最新版本），并定义如下这个数据类型Person。由于我们需要为Person生成额外的类型成员，我们必须将其定义成partial class。

[BufferedMessageSource]
public partial class Person
{
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
    public string[] Hobbies { get; set; }
    public string Address { get; set; }
    public string PhoneNumber { get; set; }
    public string Email { get; set; }
    public string Gender { get; set; }
    public string Nationality { get; set; }
    public string Occupation { get; set; }
    public string EducationLevel { get; set; }
    public string MaritalStatus { get; set; }
    public string SpouseName { get; set; }
    public int NumberOfChildren { get; set; }
    public string[] ChildrenNames { get; set; }
    public string[] LanguagesSpoken { get; set; }
    public bool HasPets { get; set; }
    public string[] PetNames { get; set; }

    public static Person Instance = new Person
    {
        Name = "Bill",
        Age = 30,
        Hobbies = new string[] { "Reading", "Writing", "Coding" },
        Address = "123 Main St.",
        PhoneNumber = "555-555-5555",
        Email = "bill@gmail.com",
        Gender = "M",
        Nationality = "China",
        Occupation = "Software Engineer",
        EducationLevel = "Bachelor's",
        MaritalStatus = "Married",
        SpouseName = "Jane",
        NumberOfChildren = 2,
        ChildrenNames = new string[] { "John", "Jill" },
        LanguagesSpoken = new string[] { "English", "Chinese" },
        HasPets = true,
        PetNames = new string[] { "Fido", "Spot" }
    };
}

我们在类型上标注BufferedMessageSourceAttribute特性将其作为BufferedMessage的“源”。此时如果我们查看VS的Solution Explorer，就会从项目的Depedences/Analyers/NativeBuffering.Generator看到生成的两个.cs文件。我们使用的PersonBufferedMessage就定义在PersonBufferedMessage.g.cs文件中。为Person额外添加的类型成员就定义在Person.g.cs文件中。

我们使用下的代码来演示针对Person和PersonBufferedMessage的序列化和反序列化。如下面的代码片段所示，我们利用Instance静态属性得到Person单例对象，直接调用其WriteToAsync方法（Person.g.cs文件会使Person类型实现IBufferedObjectSource接口，WriteToAsync方法使针对该接口定义的扩展方法）对自身进行序列化，并将作为序列化结果的字节序列存储到指定的文件（person.bin）文件中。

using NativeBuffering;
var fileName = "person.bin";
await Person.Instance.WriteToAsync(fileName);
using (var pooledBufferedMessage = await BufferedMessage.LoadAsync(fileName))
{
    var bufferedMessage = pooledBufferedMessage.BufferedMessage;
    Console.WriteLine(
@$"{nameof(bufferedMessage.Name),-17}: {bufferedMessage.Name}
{nameof(bufferedMessage.Age),-17}: {bufferedMessage.Age}
{nameof(bufferedMessage.Hobbies),-17}: {string.Join(", ", bufferedMessage.Hobbies)}
{nameof(bufferedMessage.Address),-17}: {bufferedMessage.Address}
{nameof(bufferedMessage.PhoneNumber),-17}: {bufferedMessage.PhoneNumber}
{nameof(bufferedMessage.Email),-17}:{bufferedMessage.Email}
{nameof(bufferedMessage.Nationality),-17}:{bufferedMessage.Nationality},
{nameof(bufferedMessage.Occupation),-17}:{bufferedMessage.Occupation},
{nameof(bufferedMessage.EducationLevel),-17}:{bufferedMessage.EducationLevel}
{nameof(bufferedMessage.MaritalStatus),-17}:{bufferedMessage.MaritalStatus}
{nameof(bufferedMessage.SpouseName),-17}:{bufferedMessage.SpouseName}
{nameof(bufferedMessage.NumberOfChildren),-17}:{bufferedMessage.NumberOfChildren}
{nameof(bufferedMessage.ChildrenNames),-17}: {string.Join(", ", bufferedMessage.ChildrenNames)}
{nameof(bufferedMessage.LanguagesSpoken),-17}: {string.Join(", ", bufferedMessage.LanguagesSpoken)}
{nameof(bufferedMessage.HasPets),-17}:{bufferedMessage.HasPets}
{nameof(bufferedMessage.PetNames),-17}: {string.Join(", ", bufferedMessage.PetNames)}");
}

然后我们调用BufferedMessage的静态方法LoadAsync加载该文件的内容。该方法会返回一个PooledBufferedMessage对象，它的BufferedMessage返回我们需要的PersonBufferedMessage对象。PersonBufferedMessage具有与Person一致的数据成员，我们将它们的内容一一输出，可以看出PersonBufferedMessage承载的内容与Person对象使完全一致的。

NativeBuffering之所以能供实现真正意义的“零内存分配”，得益于对“池化机制”的应用。LoadAsync方法返回的PooledBufferedMessage使用一段池化的缓存区来存储序列化的字节，当我们不再使用的时候，需要调用其Dispose方法缓存区释放到缓存池内。

三、序列化性能比较

接下来我们以就以上面定义的Person类型为例，利用BenchmarkDotNet比较一下NativeBuffering与JSON序列化在性能上的差异。如下面的代码片段所示，针对JSON序列化的Benchmark方法直接调用JsonSerializer的Serialize方法将Person单例对象序列化成字符串。

[MemoryDiagnoser]
public class Benchmark
{
    private  static readonly Func<int, byte[]> _bufferFactory = ArrayPool<byte>.Shared.Rent;

    [Benchmark]
    public string SerializeAsJson() => JsonSerializer.Serialize(Person.Instance);

    [Benchmark]
    public void SerializeNativeBuffering()
    {
        var arraySegment = Person.Instance.WriteTo(_bufferFactory);
        ArrayPool<byte>.Shared.Return(arraySegment.Array!);
    }
}

在针对NativeBuffering的Benchmark方法中，我们调用Person单例对象的WriteTo扩展方法对它进行序列化，并利用一个ArraySegment结构返回序列化结果。WriteTo方法具有一个类型为Func<int, byte[]>的参数，我们使用它来提供一个存放序列化结果的字节数组。作为Func<int, byte[]>输入参数的整数代表序列化结果的字节长度，这样我们才能确保提供的字节数组具有充足的存储空间。

为了避免内存分配，我们利用这个委托从ArrayPool<byte>.Shared表示的“数组池”中借出一个大小适合的字节数组，并在完成序列化之后将其释放。这段性能测试结果如下，可以看出从耗时来看，针对NativeBuffering的序列化稍微多了一点，但是从内存分配来看，它真正做到了内存的“零分配”，而JSON序列化则分配了1K多的内存。

四、原生类型性能“友好”

从上面展示的性能测试结果可以看出，NativeBuffering在序列化上确实可以不用分配额外的内存，但是耗时似乎多了点。那么是否意味着NativeBuffering不如JSON序列化高效吗？其实也不能这么说。NativeBuffering会使用一段连续的内存（而不是多段缓存的拼接）来存储序列化结果，所以它在序列化之前需要先计算字节数。由于Person定义的绝大部分数据成员都是字符串，这导致了它需要计算字符串编码后的字节数，这个计算会造成一定的耗时。

所以字符串不是NativeBuffering的强项，对于其他数据类型，NativeBuffering性能其实很高的。现在我们重新定义如下这个名为Entity的数据类型，它将常用的Primitive类型和一个字节数组作为数据成员

[BufferedMessageSource]
public partial class Entity
{
    public byte ByteValue { get; set; }
    public sbyte SByteValue { get; set; }
    public short ShortValue { get; set; }
    public ushort UShortValue { get; set; }
    public int IntValue { get; set; }
    public uint UIntValue { get; set; }
    public long LongValue { get; set; }
    public ulong ULongValue { get; set; }
    public float FloatValue { get; set; }
    public double DoubleValue { get; set; }
    public decimal DecimalValue { get; set; }
    public bool BoolValue { get; set; }
    public char CharValue { get; set; }
    public byte[] Bytes { get; set; }

    public static Entity Instance = new Entity
    {
        ByteValue = 1,
        SByteValue = 2,
        ShortValue = 3,
        UShortValue = 4,
        IntValue = 5,
        UIntValue = 6,
        LongValue = 7,
        ULongValue = 8,
        FloatValue = 9,
        DoubleValue = 10,
        DecimalValue = 11,
        BoolValue = true,
        CharValue = 'a',
        Bytes = Enumerable.Range(0, 128).Select(it => (byte)it).ToArray()
    };
}

然后我们将性能测试的两个Benchmark方法使用的数据类型从Person改为Entity。

[MemoryDiagnoser]
public class Benchmark
{
    private static readonly Func<int, byte[]> _bufferFactory = ArrayPool<byte>.Shared.Rent;

    [Benchmark]
    public string SerializeAsJson() => JsonSerializer.Serialize(Entity.Instance);

    [Benchmark]
    public void SerializeNativeBuffering()
    {
        var arraySegment = Entity.Instance.WriteTo(_bufferFactory);
        ArrayPool<byte>.Shared.Return(arraySegment.Array!);
    }
}

再来看看如下的测试结果，可以看出NativeBuffering序列化的耗时差不多是JSON序列化的一半，并且它依然没有任何内存分配。

五、Unmanaged 类型“性能加速”

NativeBuffering不仅仅对Primitive类型“友好”，对于自定义的Unmanaged结构，更能体现其性能优势。原因很简单，Unmanaged类型（含Primitive类型和自定义的unmanaged结构）的内存布局就是连续的，NativeBuffering在进行序列化的适合不需要对它进行“分解”，直接拷贝这段内存的内容就可以了。

作为演示，我们定义了如下这个Foobarbazqux结构体，可以看出它满足unmanaged结构的要求。作为序列化数据类型的Record中，我们定义了一个Foobarbazqux数组类型的属性Data。Instance静态字段表示的单例对象的Data属性包含100个Foobarbazqux对象。

[BufferedMessageSource]
public partial class Record
{
    public Foobarbazqux[] Data { get; set; } = default!;
    public static Record Instance = new Record {  Data = Enumerable.Range(1, 100).Select(_ => new Foobarbazqux(new Foobarbaz(new Foobar(111, 222), 1.234f), 3.14d)).ToArray()};
}

public readonly record struct Foobar(int Foo, long Bar);
public readonly record struct Foobarbaz(Foobar Foobar, float Baz);
public readonly record struct Foobarbazqux(Foobarbaz Foobarbaz, double Qux);

我们同样只需要将性能测试的数据类型改成上面定义的Record就可以了。

[MemoryDiagnoser]
public class Benchmark
{
    private static readonly Func<int, byte[]> _bufferFactory = ArrayPool<byte>.Shared.Rent;

    [Benchmark]
    public string SerializeAsJson() => JsonSerializer.Serialize(Record.Instance);

    [Benchmark]
    public void SerializeNativeBuffering()
    {
        var arraySegment = Record.Instance.WriteTo(_bufferFactory);
        ArrayPool<byte>.Shared.Return(arraySegment.Array!);
    }
}

这次NativeBuffering针对JSON序列化的性能优势完全是“碾压式”的。耗时：72us/3us。JSON序列化不仅带来了26K的内存分配，还将部分内存提升到了Gen1。

六、无需反序列化

对于序列化来说，NativeBuffering不仅仅可以避免内存的分配。如果不是大规模涉及字符串，它在耗时方面依然具有很大的优势。即使大规模使用字符串，考虑到JSON字符串最终还是需要编码转换成字节序列化，两者之间的总体耗时其实差别也不大。NativeBuffering针对反序列化的性能优势更是毋庸置疑，因为我们使用的BufferedMessage就是对序列化结果的封装，所以反序列化的成本几乎可以忽略（经过测试耗时在几纳秒）。

为了让大家能够感觉到与JSON分序列化的差异，我们将读取数据成员的操作也作为反序列化的一部分。如下面这个Benchmark所示，我们在初始化自动执行的Setup方法中，针对同一个Entity对象的两种序列化结果（字节数组）存储在_encodedJson 和_payload字段中。

[MemoryDiagnoser]

public class Benchmark
{
    private  byte[] _encodedJson = default!;
    private  byte[] _payload = default!;

    [GlobalSetup]
    public void Setup()
    {
        _encodedJson = Encoding.UTF8.GetBytes(JsonSerializer.Serialize(Entity.Instance));
        _payload = new byte[Entity.Instance.CalculateSize()];
        Person.Instance.WriteToAsync(new MemoryStream(_payload), true);
    }

    [Benchmark]
    public void DeserializeFromJson()
    {
        var entity = JsonSerializer.Deserialize(Encoding.UTF8.GetString(_encodedJson))!;
        Process(entity.ByteValue);
        Process(entity.SByteValue);
        Process(entity.ShortValue);
        Process(entity.UShortValue);
        Process(entity.IntValue);
        Process(entity.UIntValue);
        Process(entity.LongValue);
        Process(entity.ULongValue);
        Process(entity.FloatValue);
        Process(entity.DoubleValue);
        Process(entity.DecimalValue);
        Process(entity.BoolValue);
        Process(entity.CharValue);
        Process(entity.Bytes);
    }

    [Benchmark]
    public void DeserializeFromNativeBuffering()
    {
        unsafe
        {
            fixed (byte* _ = _payload)
            {
                var entity = new EntityBufferedMessage(new NativeBuffer(_payload));
                Process(entity.ByteValue);
                Process(entity.SByteValue);
                Process(entity.ShortValue);
                Process(entity.UShortValue);
                Process(entity.IntValue);
                Process(entity.UIntValue);
                Process(entity.LongValue);
                Process(entity.ULongValue);
                Process(entity.FloatValue);
                Process(entity.DoubleValue);
                Process(entity.DecimalValue);
                Process(entity.BoolValue);
                Process(entity.CharValue);
                Process(entity.Bytes);
            }
        }
    }

    [MethodImpl(MethodImplOptions.NoInlining)]
    private void Process(T expected)
    { }
}

针对JSON反序列化的Benchmark方法利用JsonSerializer将解码生成的字符串反序列化成Entity对象，并调用Process方法读取每个数据成员。在针对NativeBuffering的Benchmark方法中，我们需要创建一个fixed上下文将字节数组内存地址固定，因为BufferedMessage的读取涉及很多Unsafe的内存地址操作，然后将这个字节数组封装成NativeBuffer对象，并据此将EntityBufferedMessage创建出来。这个方法的耗时花在后面针对数据成员的读取上。如下所示的两种“反序列”方式的测试结果。从如下所示的测试结果可以看出相对于NativeBuffering的无需反序列化，JSON反序列化的成本还是巨大的，不仅反映在耗时上，同时也反映在内存分配上。

七、数据读取的成本

上面的测试结果也体现了NativeBuffering针对数据读取的成本。和普通类型直接读取字段的值不同，NativeBuffering生成的BufferedMessage对象是对一段连续字节序列的封装，此字节序列就是序列化的结果。如下所示的是这段字节序列的布局：整个序列包括两个部分，后面一部分依次存储每个字段的内容，前面一部分则存储每个字段内容在整个字节序列的位置（偏移量）。

BufferedMessage的每个数据成员都是只读属性，针对数据成员的读取至少需要两个步骤：

• 根据数据成员的序号读取存储内容的偏移量；
• 将偏移量转换成内存地址，结合当前数据类型将数据读出来；

所以NativeBuffering最大的问题就是：读取数据成员的性能肯定比直接读取字段值要高。从上面的测试结果大体可以测出单次读取耗时大体在1-2纳米之间（24.87ns包括创建EntityBufferedMessage和调用空方法Process的耗时），也就是说1秒中可以完成5-10亿次读取。我想这个读取成本大部分应用是可以接受的，尤其是相对于它在序列化/反序列化在耗时和内存分配带来的巨大优势来说，读取数据成员带来时间损耗基本上可以忽略了。

NativeBuffering针对字符串序列化的性能在最新版本中已经得到提升，并完全超越了System.Text.Json序列化的性能，具体的性能测试结果和背后的原理可以参阅《性能测试续篇》。