如何使用dotTrace来诊断netcore应用的性能问题
最近在为 Newbe.Claptrap 做性能升级，因此将过程中使用到的 dotTrace 软件的基础用法介绍给各位开发者。
开篇摘要
dotTrace 是 Jetbrains 公司为 .net 应用提供的一款 profile 软件。有助于对于软件中的耗时函数和内存问题进行诊断分析。
本篇，我们将使用 Jetbrains 公司的 dotTrace 软件对一些已知的性能问题进行分析。从而使读者能够掌握使用该软件的基本技能。
过程中我们将搭配一些经典的面试问题进行演示，逐步解释该软件的使用。
此次示例使用的是 Rider 作为主要演示的 IDE。 开发者也可以使用 VS + Resharper 做出相同的效果。
如何获取 dotTrace
dotTrace 是付费软件。目前只要购买 dotUltimate 及以上的许可证便可以直接使用该软件。
当然，该软件也包含试用版本，可以免费开启 7 天的试用时间。Jetbrains 的 IDE 购买满一年以上即可获取一个当前最新的永久使用版本。
或者也可以直接购买 Jetbrains 全家桶许可证，一次性全部带走。
经典场景再现
接下来，我们通过一些经典的面试问题，来体验一下如何使用 dotTrace。
何时要使用 StringBuilder
这是多么经典的面试问题。能够看到这篇文章的朋友，我相信各位都知道 StringBuilder 能够减少 string 直接拼接的碎片，减少内存压力这个道理。
我们这是真的吗？会不会只是面试官想要刁难我，欺负我信息不对称呢？
没有关系，接下来，让我们使用 dotTrace 来具体的结合代码来分析一波。看看使用 StringBuilder 究竟有没有减低内存分配的压力。
首先，我们创建一个单元测试项目，并添加以下这样一个测试类：
using System.Linq;
using System.Text;
using NUnit.Framework;
namespace Newbe.DotTrace.Tests
{
public class X01StringBuilderTest
{
[Test]
public void UsingString()
{
var source = Enumerable.Range(0, 10)
.Select(x => x.ToString())
.ToArray();
var re = string.Empty;
for (int i = 0; i < 10_000; i++)
{
re += source[i % 10];
}
}
[Test]
public void UsingStringBuilder()
{
var source = Enumerable.Range(0, 10)
.Select(x => x.ToString())
.ToArray();
var sb = new StringBuilder();
for (var i = 0; i < 10_000; i++)
{
sb.Append(source[i % 10]);
}
var _ = sb.ToString();
}
}
}
然后，如下图所示，我们将 Rider 中的 profile 模式设置为 Timeline 。
TimeLine 是多种模式中的一种，相较而言，该模式可以更全面的了解各个线程的工作情况，包括有内存分配、IO 处理、锁、反射等等多维度数据。这将会作为本示例主要使用的一种模式。
接着，如下图所示，通过单元测试左侧的小图标启动对应测试的 profile。
启动 profile 之后，等待一段时间之后，便会出现最新生成的 timeline 报告。查看报告的位置如下所示：
右键选择对应的报告，选择"Open in External Viewer"，便可以使用 dotTrace 打开生成好的报告。
那么首先，让我打开第一个报告，查看 UsingString 方法生成的报告。
如下图所示，选择 .Net Memory Allocations 以查看该测试运行过程中分配的内存数额。
根据上图我们可以得出以下结论：
- 在这测试中，有 102M 的内存被分配给 String 。注意，在 dotTrace 中显示的分配是指整个运行过程中全部分配的内存。即使后续被回收，该数值也不会减少。
- 内存的分配只要在 CLR Worker 线程进行。并且非常的密集。
Tip： Timeline 所显示的运行时间比正常运行测试的时间更长，因为在 profile 过程中需要对数据进行记录会有额外的消耗。
因此，我们就得出了第一个结论：使用 string 进行直接拼接，确实会消耗更多的内存分配。
接着，我们继续按照上面的步骤，查看一下 UsingStringBuilder 方法的报告，如下所示：
根据上图，我们可以得出第二个结论：使用 StringBuilder 可以明显的减少相较于 string 直接拼接所消耗的内存。
当然，我们得到的最终的结论其实是：看来面试官不是糊弄人。
class 和 struct 对内存有什么影响
class 和 struct 的区别有很多，面试题常客了。其中，两者在内存方面就存在区别。
那么我们通过一个测试来看看区别。
using System;
using System.Collections.Generic;
using NUnit.Framework;
namespace Newbe.DotTrace.Tests
{
public class X02ClassAndStruct
{
[Test]
public void UsingClass()
{
Console.WriteLine($"memory in bytes before execution: {GC.GetGCMemoryInfo().TotalAvailableMemoryBytes}");
const int count = 1_000_000;
var list = new List<Student>(count);
for (var i = 0; i < count; i++)
{
list.Add(new Student
{
Level = int.MinValue
});
}
list.Clear();
var gcMemoryInfo = GC.GetGCMemoryInfo();
Console.WriteLine($"heap size: {gcMemoryInfo.HeapSizeBytes}");
Console.WriteLine($"memory in bytes end of execution: {gcMemoryInfo.TotalAvailableMemoryBytes}");
}
[Test]
public void UsingStruct()
{
Console.WriteLine($"memory in bytes before execution: {GC.GetGCMemoryInfo().TotalAvailableMemoryBytes}");
const int count = 1_000_000;
var list = new List<Yueluo>(count);
for (var i = 0; i < count; i++)
{
list.Add(new Yueluo
{
Level = int.MinValue
});
}
list.Clear();
var gcMemoryInfo = GC.GetGCMemoryInfo();
Console.WriteLine($"heap size: {gcMemoryInfo.HeapSizeBytes}");
Console.WriteLine($"memory in bytes end of execution: {gcMemoryInfo.TotalAvailableMemoryBytes}");
}
public class Student
{
public int Level { get; set; }
}
public struct Yueluo
{
public int Level { get; set; }
}
}
}
代码要点：
- 两个测试，分别创建 1,000,000 个 class 和 struct 加入到 List 中。
- 运行测试之后，在测试的末尾输出当前堆空间的大小。
按照上一节提供的基础步骤，我们对比两个方法生成的报告。
UsingClass
UsingStruct
对比两个报告，可以得出以下这些结论：
- Timeline 报告中的内存分配，只包含分配在堆上的内存情况。
- struct 不需要分配在堆上，但是，数组是引用对象，需要分配在堆上。
- List 自增的过程本质是扩张数组的特性在报告中也得到了体现。
- 另外，没有展示在报告上，而展示在测试打印文本中可以看到，UsingStruct 运行之后的堆大小也证实了 struct 不会被分配在堆上。
装箱和拆箱
经典面试题 X3，来，上代码，上报告！
using NUnit.Framework;
namespace Newbe.DotTrace.Tests
{
public class X03Boxing
{
[Test]
public void Boxing()
{
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
{
UseObject(i);
}
}
[Test]
public void NoBoxing()
{
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
{
UseInt(i);
}
}
public static void UseInt(int age)
{
// nothing
}
public static void UseObject(object obj)
{
// nothing
}
}
}
Boxing,发生装箱拆箱
NoBoxing，未发生装箱拆箱
对比两个报告，可以得出以下这些结论：
- 没有买卖就没有杀害，没有装拆就没有分配消耗。
Thread.Sleep 和 Task.Delay 有什么区别
经典面试题 X4，来，上代码，上报告！
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using NUnit.Framework;
namespace Newbe.DotTrace.Tests
{
public class X04SleepTest
{
[Test]
public Task TaskDelay()
{
return Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(3));
}
[Test]
public Task ThreadSleep()
{
return Task.Run(() => { Thread.Sleep(TimeSpan.FromSeconds(3)); });
}
}
}
ThreadSleep
TaskDelay
对比两个报告，可以得出以下这些结论：
- 在 dotTrace 中 Thread.Sleep 会被单独标记，因为这是一种性能不不佳的做法，容易造成线程饥饿。
- Thread.Sleep 比起 Task.Delay 会多出一个线程处于 Sleep 状态
阻塞大量的 Task 真的会导致应用一动不动吗
有了上一步的结论，笔者产生了一个大胆的想法。我们都知道线程的有限的，那如果启动非常多的 Thread.Sleep 或者 Task.Delay 会如何呢？
来，代码：
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;
using NUnit.Framework;
namespace Newbe.DotTrace.Tests
{
public class X04SleepTest
{
[Test]
public Task RunThreadSleep()
{
return Task.WhenAny(GetTasks(50));
IEnumerable<Task> GetTasks(int count)
{
for (int i = 0; i < count; i++)
{
var i1 = i;
yield return Task.Run(() =>
{
Console.WriteLine($"Task {i1}");
Thread.Sleep(int.MaxValue);
});
}
yield return Task.Run(() => { Console.WriteLine("yueluo is the only one dalao"); });
}
}
[Test]
public Task RunTaskDelay()
{
return Task.WhenAny(GetTasks(50));
IEnumerable<Task> GetTasks(int count)
{
for (int i = 0; i < count; i++)
{
var i1 = i;
yield return Task.Run(() =>
{
Console.WriteLine($"Task {i1}");
return Task.Delay(TimeSpan.FromSeconds(int.MaxValue));
});
}
yield return Task.Run(() => { Console.WriteLine("yueluo is the only one dalao"); });
}
}
}
}
这里就不贴报告了，读者可以试一下这个测试，也可以将报告的内容写在本文的评论中参与讨论~
反射调用和表达式树编译调用
有时，我们需要动态调用一个方法。最广为人知的方式就是使用反射。
但是，这也是广为人知的耗时相对较高的方式。
这里，笔者提供一种使用表达式树创建委托来取代反射提高效率的思路。
那么，究竟有没有减少时间消耗呢？好报告，自己会说话。
using System;
using System.Diagnostics;
using System.Linq.Expressions;
using NUnit.Framework;
namespace Newbe.DotTrace.Tests
{
public class X05ReflectionTest
{
[Test]
public void RunReflection()
{
var methodInfo = GetType().GetMethod(nameof(MoYue));
Debug.Assert(methodInfo != null, nameof(methodInfo) + " != null");
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
{
methodInfo.Invoke(null, null);
}
Console.WriteLine(_count);
}
[Test]
public void RunExpression()
{
var methodInfo = GetType().GetMethod(nameof(MoYue));
Debug.Assert(methodInfo != null, nameof(methodInfo) + " != null");
var methodCallExpression = Expression.Call(methodInfo);
var lambdaExpression = Expression.Lambda<Action>(methodCallExpression);
var func = lambdaExpression.Compile();
for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
{
func.Invoke();
}
Console.WriteLine(_count);
}
private static int _count = 0;
public static void MoYue()
{
_count++;
}
}
}
RunReflection，直接使用反射调用。
RunExpression，使用表达式树编译一个委托。
本篇小结
使用 dotTrace 可以查看方法的内存和时间消耗。本篇所演示的内容只是其中很小的部分。开发者们可以尝试上手，大有裨益。
本篇内容中的示例代码，均可以在以下链接仓库中找到：
