【译】ASP.NET Core 6 中的性能改进

学习分享 丨作者 / 郑子铭

这是DotNet NB 公众号的第199篇原创文章

原文 | Brennan Conroy

翻译 | 郑子铭

受到 Stephen Toub 关于 .NET 性能的博文的启发，我们正在写一篇类似的文章来强调 6.0 中对 ASP.NET Core 所做的性能改进。

基准设置

我们将在整个示例中使用 BenchmarkDotNet。在 https://github.com/BrennanConroy/BlogPost60Bench 上提供了一个 repo，其中包括本文中使用的大部分基准。

这篇文章中的大多数基准测试结果都是使用以下命令行生成的：

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dotnet run -c Release -f net48 --runtimes net48 netcoreapp3.1 net5.0 net6.0

然后从列表中选择要运行的特定基准。

这告诉 BenchmarkDotNet：

在发布配置中构建所有内容。
针对 .NET Framework 4.8 外围区域构建它。
在 .NET Framework 4.8、.NET Core 3.1、.NET 5 和 .NET 6 上运行每个基准测试。

对于某些基准测试，它们仅在 .NET 6 上运行（例如，如果比较同一版本上的两种编码方式）：

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dotnet run -c Release -f net6.0 --runtimes net6.0

而对于其他版本，只运行了其中的一个子集，例如

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dotnet run -c Release -f net5.0 --runtimes net5.0 net6.0

我将包括用于运行每个基准测试的命令当他们出现时。

帖子中的大部分结果都是通过在 Windows 上运行上述基准测试生成的，主要是为了将 .NET Framework 4.8 包含在结果集中。但是，除非另有说明，否则所有这些基准测试通常在 Linux 或 macOS 上运行时都显示出相当的改进。只需确保您已安装要测量的每个运行时。基准测试是在夜间构建的 .NET 6 RC1 以及最新发布的 .NET 5 和 .NET Core 3.1 下载中运行的。

Span

自从在 .NET 2.1 中添加 Span 以来的每个版本，我们都转换了更多代码以在内部和作为公共 API 的一部分使用跨度以提高性能。本次发布也不例外。

PR dotnet/aspnetcore#28855 在添加两个 PathString 实例时删除了来自 string.SubString 的 PathString 中的临时字符串分配，而是使用 Span 作为临时字符串。在下面的基准测试中，我们使用一个短字符串和一个较长的字符串来显示避免使用临时字符串的性能差异。

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dotnet run -c Release -f net48 --runtimes net48 net5.0 net6.0 --filter *PathStringBenchmark*

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private PathString _first = new PathString("/first/");
private PathString _second = new PathString("/second/");
private PathString _long = new PathString("/longerpathstringtoshowsubstring/");

[Benchmark]
public PathString AddShortString()
{
    return _first.Add(_second);
}

[Benchmark]
public PathString AddLongString()
{
    return _first.Add(_long);
}

Method	Runtime	Toolchain	Mean	Ratio	Allocated
AddShortString	.NET Framework 4.8	net48	23.51 ns	1.00	96 B
AddShortString	.NET 5.0	net5.0	22.73 ns	0.97	96 B
AddShortString	.NET 6.0	net6.0	14.92 ns	0.64	56 B
AddLongString	.NET Framework 4.8	net48	30.89 ns	1.00	201 B
AddLongString	.NET 5.0	net5.0	25.18 ns	0.82	192 B
AddLongString	.NET 6.0	net6.0	15.69 ns	0.51	104 B

dotnet/aspnetcore#34001 引入了一个新的基于 Span 的 API，用于枚举查询字符串，在没有编码字符的常见情况下是无分配的，当查询字符串包含编码字符时，分配量较低。

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dotnet run -c Release -f net6.0 --runtimes net6.0 --filter *QueryEnumerableBenchmark*

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#if NET6_0_OR_GREATER
    public enum QueryEnum
    {
        Simple = 1,
        Encoded,
    }

    [ParamsAllValues]
    public QueryEnum QueryParam { get; set; }

    private string SimpleQueryString = "?key1=value1&key2=value2";
    private string QueryStringWithEncoding = "?key1=valu &key2=value ";

    [Benchmark(Baseline  = true)]
    public void QueryHelper()
    {
        var queryString = QueryParam == QueryEnum.Simple ? SimpleQueryString : QueryStringWithEncoding;
        foreach (var queryParam in QueryHelpers.ParseQuery(queryString))
        {
            _ = queryParam.Key;
            _ = queryParam.Value;
        }
    }

    [Benchmark]
    public void QueryEnumerable()
    {
        var queryString = QueryParam == QueryEnum.Simple ? SimpleQueryString : QueryStringWithEncoding;
        foreach (var queryParam in new QueryStringEnumerable(queryString))
        {
            _ = queryParam.DecodeName();
            _ = queryParam.DecodeValue();
        }
    }
#endif

Method	QueryParam	Mean	Ratio	Allocated
QueryHelper	Simple	243.13 ns	1.00	360 B
QueryEnumerable	Simple	91.43 ns	0.38	–
QueryHelper	Encoded	351.25 ns	1.00	432 B
QueryEnumerable	Encoded	197.59 ns	0.56	152 B

重要的是要注意没有免费的午餐。在新的 QueryStringEnumerable API 案例中，如果您计划多次枚举查询字符串值，它实际上可能比使用 QueryHelpers.ParseQuery 并存储已解析查询字符串值的字典更昂贵。

@paulomorgado 的 dotnet/aspnetcore#29448 使用 string.Create 方法，如果您知道字符串的最终大小，则该方法允许在创建字符串后对其进行初始化。这用于删除 UriHelper.BuildAbsolute 中的一些临时字符串分配。

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dotnet run -c Release -f netcoreapp3.1 --runtimes netcoreapp3.1 net6.0 --filter *UriHelperBenchmark*

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#if NETCOREAPP
    [Benchmark]
    public void BuildAbsolute()
    {
        _ = UriHelper.BuildAbsolute("https", new HostString("localhost"));
    }
#endif

Method	Runtime	Toolchain	Mean	Ratio	Allocated
BuildAbsolute	.NET Core 3.1	netcoreapp3.1	92.87 ns	1.00	176 B
BuildAbsolute	.NET 6.0	net6.0	52.88 ns	0.57	64 B

PR dotnet/aspnetcore#31267将 ContentDispositionHeaderValue 中的一些解析逻辑转换为使用基于 Span 的 API，以避免在常见情况下出现临时字符串和临时 byte[]。

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dotnet run -c Release -f net48 --runtimes net48 netcoreapp3.1 net5.0 net6.0 --filter *ContentDispositionBenchmark*

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[Benchmark]
public void ParseContentDispositionHeader()
{
    var contentDisposition = new ContentDispositionHeaderValue("inline");
    contentDisposition.FileName = "FileÃName.bat";
}

Method	Runtime	Toolchain	Mean	Ratio	Allocated
ContentDispositionHeader	.NET Framework 4.8	net48	654.9 ns	1.00	570 B
ContentDispositionHeader	.NET Core 3.1	netcoreapp3.1	581.5 ns	0.89	536 B
ContentDispositionHeader	.NET 5.0	net5.0	519.2 ns	0.79	536 B
ContentDispositionHeader	.NET 6.0	net6.0	295.4 ns	0.45	312 B

空闲连接

ASP.NET Core 的主要组件之一是托管服务器，它带来了许多需要优化的不同问题。我们将专注于改进 6.0 中的空闲连接，我们在其中进行了许多更改以减少连接等待数据时使用的内存量。

我们进行了三种不同类型的更改，一种是减少连接使用的对象的大小，包括 System.IO.Pipelines、SocketConnections 和 SocketSenders。第二种类型的更改是汇集常用访问的对象，以便我们可以重用旧实例并节省分配。第三种变化是利用所谓的“零字节读取”。这是我们尝试使用零字节缓冲区从连接中读取的地方，如果有可用数据，则读取将返回没有数据，但我们会知道现在有可用数据，并且可以提供一个缓冲区来立即读取该数据。这避免了为可能在将来完成的读取预先分配缓冲区，因此我们可以避免大量分配，直到我们知道数据可用。

dotnet/runtime#49270 将 System.IO.Pipelines 的大小从 ~560 字节减少到 ~368 字节，这减少了 34%，每个连接至少有 2 个管道，所以这是一个巨大的胜利。

dotnet/aspnetcore#31308 重构了 Kestrel 的 Socket 层，以避免一些异步状态机并减少剩余状态机的大小，从而为每个连接节省约 33% 的分配。

dotnet/aspnetcore#30769 删除了每个连接的 PipeOptions 分配并将分配移至连接工厂，因此我们仅在服务器的整个生命周期内分配一个，并为每个连接重用相同的选项。来自@benaadams 的 dotnet/aspnetcore#31311 将 WebSocket 请求中众所周知的标头值替换为内部字符串，这允许在标头解析期间分配的字符串被垃圾收集，从而减少长期 WebSocket 连接的内存使用量。 dotnet/aspnetcore#30771 重构了 Kestrel 中的 Sockets 层，首先避免分配 SocketReceiver 对象 SocketAwaitableEventArgs 并将其组合成一个对象，这节省了几个字节并导致每个连接分配的唯一对象更少。该 PR 还汇集了 SocketSender 类，因此您现在平均拥有多个核心 SocketSender，而不是为每个连接创建一个。所以在下面的基准测试中，当我们有 10,000 个连接时，我的机器上只分配了 16 个，而不是 10,000 个，这节省了约 46 MB！

另一个类似大小的更改是 dotnet/runtime#49123，它增加了对 SslStream 中零字节读取的支持，因此我们的 10,000 个空闲连接从 SslStream 分配中从 ~46 MB 变为 ~2.3 MB。 dotnet/runtime#49117 在 StreamPipeReader 上添加了对零字节读取的支持，然后 Kestrel 在 dotnet/aspnetcore#30863 中使用它开始在 SslStream 中使用零字节读取。

所有这些变化的结果是大量减少了空闲连接的内存使用量。

以下数字并非来自 BenchmarkDotNet 应用程序，因为它正在测量空闲连接，并且使用客户端和服务器应用程序进行设置更容易。

控制台和 WebApplication 代码粘贴在以下要点中：https://gist.github.com/BrennanConroy/02e8459d63305b4acaa0a021686f54c7

下面是不同框架上服务器上 10,000 个空闲安全 WebSocket 连接 (WSS) 占用的内存量。

Framework	Memory
net48	665.4 MB
net5.0	603.1 MB
net6.0	160.8 MB

从 net5.0 到 net6.0，内存减少了近 4 倍！

Entity Framework Core

EF Core 在 6.0 中进行了一些重大改进，执行查询的速度提高了 31%，而 TechEmpower Fortunes 基准测试通过运行时更新、优化基准测试和 EF 改进提高了 70%。

这些改进来自改进对象池、智能地检查遥测是否启用，以及当您知道您的应用程序安全地使用 DbContext 时添加一个选项以选择退出线程安全检查。

请参阅宣布 Entity Framework Core 6.0 Preview 4：Performance Edition 博客文章，其中详细介绍了许多改进。

Blazor

本地 byte[] 互通

Blazor 现在在执行 JavaScript 互操作时有效地支持字节数组。以前，向 JavaScript 发送和从 JavaScript 发送的字节数组是 Base64 编码的，因此它们可以序列化为 JSON，这增加了传输大小和 CPU 负载。Base64 编码现已在 .NET 6 中进行了优化，允许用户透明地使用 .NET 中的 byte[] 和 JavaScript 中的 Uint8Array。有关将此功能用于 JavaScript 到 .NET 和 .NET 到 JavaScript 的文档。

让我们看一个快速基准测试，以了解 .NET 5 和 .NET 6 中的 byte[] 互操作之间的区别。以下 Razor 代码创建一个 22 kB byte[]，并将其发送到 JavaScript 的 receiveAndReturnBytes 函数，该函数立即返回字节[]。此数据往返重复 10,000 次，并将时间数据打印到屏幕上。此代码与 .NET 5 和 .NET 6 相同。

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<button @onclick="@RoundtripData">Roundtrip Data</button>

<hr />

@Message

@code {
    public string Message { get; set; } = "Press button to benchmark";

    private async Task RoundtripData()
    {
        var bytes = new byte[1024*22];
        List<double> timeForInterop = new List<double>();
        var testTime = DateTime.Now;

        for (var i = 0; i < 10_000; i  )
        {
            var interopTime = DateTime.Now;

            var result = await JSRuntime.InvokeAsync<byte[]>("receiveAndReturnBytes", bytes);

            timeForInterop.Add(DateTime.Now.Subtract(interopTime).TotalMilliseconds);
        }

        Message = $"Round-tripped: {bytes.Length / 1024d} kB 10,000 times and it took on average {timeForInterop.Average():F3}ms, and in total {DateTime.Now.Subtract(testTime).TotalMilliseconds:F1}ms";
    }
}

接下来我们看一下receiveAndReturnBytes JavaScript 函数。在 .NET 5 中。我们必须首先将 Base64 编码的字节数组解码为 Uint8Array，以便它可以在应用程序代码中使用。然后我们必须在将数据返回到服务器之前将其重新编码为 Base64。

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function receiveAndReturnBytes(bytesReceivedBase64Encoded) {
    const bytesReceived = base64ToArrayBuffer(bytesReceivedBase64Encoded);

    // Use Uint8Array data in application

    const bytesToSendBase64Encoded = base64EncodeByteArray(bytesReceived);

    if (bytesReceivedBase64Encoded != bytesToSendBase64Encoded) {
        throw new Error("Expected input/output to match.")
    }

    return bytesToSendBase64Encoded;
}

// https://stackoverflow.com/a/21797381
function base64ToArrayBuffer(base64) {
    const binaryString = atob(base64);
    const length = binaryString.length;
    const result = new Uint8Array(length);
    for (let i = 0; i < length; i  ) {
        result[i] = binaryString.charCodeAt(i);
    }
    return result;
}

function base64EncodeByteArray(data) {
    const charBytes = new Array(data.length);
    for (var i = 0; i < data.length; i  ) {
        charBytes[i] = String.fromCharCode(data[i]);
    }
    const dataBase64Encoded = btoa(charBytes.join(''));
    return dataBase64Encoded;
}

编码/解码增加了客户端和服务器的大量开销，同时还需要大量的样板代码。那么这将如何在 .NET 6 中完成呢？好吧，它有点简单：

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function receiveAndReturnBytes(bytesReceived) {
    // bytesReceived comes as a Uint8Array ready for use
    // and can be used by the application or immediately returned.
    return bytesReceived;
}

所以写起来肯定更容易，但它的表现如何呢？分别在 .NET 5 和 .NET 6 的 blazorserver 模板中运行这些代码片段，在 Release 配置下，我们看到 .NET 6 在 byte[] 互操作方面提供了 78% 的性能提升！

—————–	.NET 6 (ms)	.NET 5 (ms)	Improvement
Total Time	5273	24463	78%

此外，框架内利用了这种字节数组互操作支持，以实现 JavaScript 和 .NET 之间的双向流式互操作。用户现在可以传输任意二进制数据。有关从 .NET 流式传输到 JavaScript 的文档可在此处获得，JavaScript 到 .NET 文档可在此处获得。

输入文件

使用上面提到的 Blazor Streaming Interop，我们现在支持通过 InputFile 组件上传大文件（以前上传限制为 ~2GB）。由于原生字节 [] 流而不是通过 Base64 编码，该组件还具有显着的速度改进。例如，与 .NET 5 相比，上传 100 MB 文件的速度提高了 77%。

.NET 6 (ms)	.NET 5 (ms)	Percentage
2591	10504	75%
2607	11764	78%
2632	11821	78%
	Average:	77%

请注意，流式互操作支持还可以有效下载（大）文件，有关更多详细信息，请参阅文档。

InputFile 组件已升级为通过 dotnet/aspnetcore#33900 使用流式传输。

大杂烩

来自@benaadams 的 dotnet/aspnetcore#30320 对我们的 Typescript 库进行了现代化改造并对其进行了优化，因此网站加载速度更快。signalr.min.js 文件从 36.8 kB 压缩和 132 kB 未压缩变为 16.1 kB 压缩和 42.2 kB 未压缩。blazor.server.js 文件压缩后为 86.7 kB，未压缩时为 276 kB，压缩后为 43.9 kB，未压缩时为 130 kB。

@benaadams 的 dotnet/aspnetcore#31322 在从连接功能集合中获取常用功能时删除了一些不必要的强制转换。这在访问集合中的常见特征时提供了约 50% 的改进。不幸的是，实际上不可能在基准测试中看到性能改进，因为它需要一堆内部类型，所以我将在此处包含来自 PR 的数字，如果您有兴趣运行它们，PR 包括可以运行的基准反对内部代码。

Method	Mean	Op/s	Diff
Get*	8.507 ns	117,554,189.6	50.0%
Get*	9.034 ns	110,689,963.7	–
Get*	9.466 ns	105,636,431.7	58.7%
Get*	10.007 ns	99,927,927.4	50.0%
Get*	10.564 ns	94,656,794.2	44.7%

dotnet/aspnetcore#31519 也来自@benaadams，将默认接口方法添加到 IHeaderDictionary 类型，用于通过以标头名称命名的属性访问公共标头。访问标题字典时不再输入错误的常见标题！对于这篇博文来说更有趣的是，此更改允许服务器实现返回自定义标头字典，以更优化地实现这些新接口方法。例如，不是在内部字典中查询需要散列键并查找条目的标头值，而是服务器可能将标头值直接存储在字段中并可以直接返回该字段。在某些情况下，在获取或设置标头值时，此更改可带来高达 480% 的改进。再一次，为了正确地对这个更改进行基准测试，以显示它需要使用内部类型进行设置所需的改进，因此我将包括来自 PR 的数字，并且对于那些有兴趣尝试它的人，PR 包含在内部代码上运行的基准。

Method	Branch	Type	Mean	Op/s	Delta
GetHeaders	before	Plaintext	25.793 ns	38,770,569.6	–
GetHeaders	after	Plaintext	12.775 ns	78,279,480.0	101.9%
GetHeaders	before	Common	121.355 ns	8,240,299.3	–
GetHeaders	after	Common	37.598 ns	26,597,474.6	222.8%
GetHeaders	before	Unknown	366.456 ns	2,728,840.7	–
GetHeaders	after	Unknown	223.472 ns	4,474,824.0	64.0%
SetHeaders	before	Plaintext	49.324 ns	20,273,931.8	–
SetHeaders	after	Plaintext	34.996 ns	28,574,778.8	40.9%
SetHeaders	before	Common	635.060 ns	1,574,654.3	–
SetHeaders	after	Common	108.041 ns	9,255,723.7	487.7%
SetHeaders	before	Unknown	1,439.945 ns	694,470.8	–
SetHeaders	after	Unknown	517.067 ns	1,933,985.7	178.4%

dotnet/aspnetcore#31466 使用 .NET 6 中引入的新 CancellationTokenSource.TryReset() 方法来重用 CancellationTokenSource，如果连接在没有被取消的情况下关闭。以下数字是通过对具有 125 个连接的 Kestrel 运行轰炸机收集的，它运行了约 100,000 个请求。

Branch Type	Allocations	Bytes
Before	CancellationTokenSource	98,314 4,719,072
After	CancellationTokenSource	125 6,000

dotnet/aspnetcore#31528 和 dotnet/aspnetcore#34075 分别对 HTTPS 握手和 HTTP3 流重用 CancellationTokenSource 进行了类似的更改。

dotnet/aspnetcore#316600 通过为整个流重用分配的 StreamItem 对象而不是为每个流项分配一个对象，改进了 SignalR 中服务器到客户端流的性能。并且 dotnet/aspnetcore#31661 将 HubCallerClients 对象存储在 SignalR 连接上，而不是为每个 Hub 方法调用分配它。

@ShreyasJejurkar 的 dotnet/aspnetcore#31506 重构了 WebSocket 握手的内部结构，以避免临时 List 分配。 @gfoidl 中的 dotnet/aspnetcore#32829 重构了 QueryCollection 以减少分配并矢量化一些代码。 @benaadams 的 dotnet/aspnetcore#32234 删除了 HttpRequestHeaders 枚举中未使用的字段，该字段通过不再为每个枚举的标头分配字段来提高性能。

来自 martincostello 的 dotnet/aspnetcore#31333 将 Http.Sys 转换为使用 LoggerMessage.Define，这是高性能日志记录 API。这避免了不必要的值类型装箱、日志格式字符串的解析，并且在某些情况下避免了在日志级别未启用时分配字符串或对象。

dotnet/aspnetcore#31784 添加了一个新的 IApplicationBuilder。使用重载来注册中间件，以避免在运行中间件时进行一些不必要的按请求分配。旧代码如下所示：

代码语言：javascript复制

app.Use(async (context, next) =>
{
    await next();
});

新代码如下所示：

代码语言：javascript复制

app.Use(async (context, next) =>
{
    await next(context);
});

下面的基准测试模拟了中间件管道，而没有设置服务器来展示改进。使用 int 代替 HttpContext 进行请求，中间件返回完成的任务。

代码语言：javascript复制

dotnet run -c Release -f net6.0 --runtimes net6.0 --filter *UseMiddlewareBenchmark*

代码语言：javascript复制

static private Func<Func<int, Task>, Func<int, Task>> UseOld(Func<int, Func<Task>, Task> middleware)
{
    return next =>
    {
        return context =>
        {
            Func<Task> simpleNext = () => next(context);
            return middleware(context, simpleNext);
        };
    };
}

static private Func<Func<int, Task>, Func<int, Task>> UseNew(Func<int, Func<int, Task>, Task> middleware)
{
    return next => context => middleware(context, next);
}

Func<int, Task> Middleware = UseOld((c, n) => n())(i => Task.CompletedTask);
Func<int, Task> NewMiddleware = UseNew((c, n) => n(c))(i => Task.CompletedTask);

[Benchmark(Baseline = true)]
public Task Use()
{
    return Middleware(10);
}

[Benchmark]
public Task UseNew()
{
    return NewMiddleware(10);
}

Method	Mean	Ratio	Allocated
Use	15.832 ns	1.00	96 B
UseNew	2.592 ns	0.16	–

总结

希望您喜欢阅读 ASP.NET Core 6.0 中的一些改进！我鼓励您查看 .NET 6 博客文章中的性能改进，它超越了运行时的性能。

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