.NET中通用和非通用集合的内存使用差异

Question

我最近了解到在.NET中使用的集合。众所周知，使用通用集合比使用非通用集合有一些优势：它们是类型安全的，不需要强制转换，不需要装箱/拆箱。这就是为什么通用集合具有性能优势的原因。

如果考虑到非通用集合将每个成员都存储为“object”，那么可以认为通用集合也具有内存优势。然而，我没有找到关于内存使用差异的任何信息。

有人能澄清一下这一点吗？

- Ilkin Sam Elimov

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通常情况下，编写最清晰的代码来完成所需工作。如果你有内存方面的问题，使用profiler来查找内存使用情况、类型等信息，并尝试寻找替代方法。不要试图学习成千上万的“总是使用X / 从不使用Y”的规则。 - Damien_The_Unbeliever

这可能对你很有趣。 - L. Guthardt

一个 object 总是比一个 int 大。相关。 - Jeroen Mostert

一个 List<byte> 占用每个元素 1 字节，而 ArrayList 在 32 位模式下占用 12 字节，在 64 位模式下占用 24 字节来存储一个字节。将 2400% 的存储开销视为有用是不明智的，最好忘记 .NET 1.0 曾经存在过。 - Hans Passant

这些差异在MSDN: List(T) Class的性能注意事项（备注下）部分有官方文档记录。 - Brian

Answer 1

如果我们考虑非泛型集合将每个成员存储为对象，那么我们可以认为泛型也具有内存优势。但是，我没有找到有关内存使用差异的任何信息。能否有人阐明一下这一点？

当然。让我们考虑包含int的ArrayList与List<int>。假设每个列表中都有1000个int。

在两种情况下，集合类型都是数组的薄包装器-因此名为ArrayList。在ArrayList的情况下，底层object[]包含至少1000个装箱的int。在List<int>的情况下，底层的int[]包含至少1000个int。

为什么我说“至少”？因为两者都使用双倍容量策略。如果您在创建集合时设置了容量，则它会为该数量分配足够的空间。如果没有，则集合必须猜测，如果猜错并且需要更多容量，则它会将其容量加倍。因此，最好的情况是我们的集合数组恰好是正确的大小。最坏的情况是它们可能比需要的大小大一倍；数组中可能有2000个对象或2000个int的空间。

但是假设为简单起见，我们很幸运，在每个列表中都有大约1000个元素。

首先，数组的内存负担是多少？object[1000]在32位系统上占用4000字节，在64位系统上占用8000字节，仅供引用使用，它们的大小与指针相同。int[1000]无论如何都需要4000字节。(数组管理还需要一些额外的字节，但这些成本与边际成本相比很小。)

所以我们可以看到，非泛型解决方案可能就为数组消耗了两倍的内存。那么数组的内容呢？

关于值类型的问题在于，它们直接存储在自己的变量中。除了用于存储1000个整数的那4000字节之外，没有额外的空间；它们被打包进数组里面。因此，对于泛型情况来说，额外的成本是零。

对于object[]的情况，数组的每个成员都是一个引用，而该引用指向一个对象；在这种情况下，是装箱整型。一个装箱整型的大小是多少？

未装箱的值类型不需要存储其类型的任何信息，因为其类型由其存储的类型确定，并且运行时已知。装箱值类型需要在某个地方存储盒子中物品的类型，这需要空间。事实证明，在32位.NET中，对象的簿记开销为8字节，在64位系统上为16字节。这只是开销；我们当然需要4字节来存储整数。但是等等，情况变得更糟：在64位系统上，盒子必须对齐到8字节边界，因此在64位系统上，我们需要另外4字节的填充。

总结一下：在64位和32位系统上，我们的int[]大约占用4KB。包含1000个整数的object[]在32位系统上大约需要16KB，在64位系统上需要32K。因此，非泛型情况下，int[]与object[]的内存效率要差4到8倍。

但等等，情况变得更糟了。这仅仅是大小。那么访问时间呢？

要从整数数组中访问一个整数，运行时必须：

• 验证数组是否有效
• 验证索引是否有效
• 从给定索引处的变量中提取值

要从装箱整型数组中访问一个整型数，运行时必须执行以下操作：

• 验证数组的有效性
• 验证索引的有效性
• 从给定索引处的变量中获取引用
• 验证引用不为空
• 验证引用是否为装箱整型
• 从盒子中提取整数

这需要更多的步骤，因此需要更长的时间。

但是等等，情况会变得更糟。

现代处理器在芯片本身上使用缓存来避免返回主内存。一个包含 1000 个普通整数的数组很可能会出现在高速缓存中，以便对数组的第一、第二、第三等成员进行快速连续访问，所有这些成员都是从同一高速缓存线路中提取的；这是非常快的。但是装箱整数可能分布在整个堆中，这增加了缓存失效的次数，进而大大降低了访问速度。

希望这足以澄清您对装箱惩罚的理解。

那么非装箱类型呢？一个字符串数组列表和一个 List<string> 之间有显著差异吗？

在这种情况下，惩罚要小得多，因为 object[] 和 string[] 具有类似的性能特征和内存布局。唯一的额外惩罚是：(1) 直到运行时才捕获错误，(2) 使代码更难以阅读和编辑，以及 (3) 运行时类型检查的轻微惩罚。

- Eric Lippert

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非常好的解释。谢谢！ - Shyju

Answer 2

如果我们认为泛型也具有内存优势，那么这个假设是错误的，它只适用于值类型。因此请考虑以下内容：

new ArrayList { 1, 2, 3 };

这将会把每个整数隐式转换为object（称为装箱），以便将其存储到您的ArrayList中。这将导致您在此处的内存开销，因为一个object肯定比一个简单的int大。

对于引用类型，两者之间没有区别，因为不需要装箱。

使用其中之一不应受性能或内存问题的影响。但是，您应该问自己想要用结果做什么。特别是如果您在编译时知道存储在集合中的类型，则使用正确的泛型类型参数将此信息放入编译过程中是有意义的。

无论如何，由于提到的类型安全性，您应该始终使用通用集合而不是非通用集合。

编辑：实际问题是使用非通用集合还是通用版本，这是相当无意义的：始终使用通用版本。但不是因为它的内存使用情况。请参见此内容：

ArrayList a = new ArrayList { 1, 2, 3};

对比。

List<object> a = new List<object> { 1, 2, 3 };

两个列表将消耗相同的内存，尽管第二个是通用的。这是因为它们都将您的整数装箱到object中。因此，问题的答案与内存无关。

对于引用类型，完全没有内存差异：

ArrayList a = new ArrayList { myInstance, anotherInstance }

对比。

List<MyClass> a = new List<MyClass> { myInstance, anotherInstance }

这两个操作会产生相同的内存结果。但是第二个操作更容易维护，因为您可以直接使用实例而不需要转换它们。

- MakePeaceGreatAgain

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真的吗？我本以为 List<byte> 会在内部存储一个 byte[] 来存储其值，而 List 则有一个 object[]，其中必然包含4或8个字节的引用，加上装箱开销。 - Damien_The_Unbeliever

Answer 3

假设我们有这个语句：

int valueType = 1;

现在我们在堆栈上有一个值，如下所示：

堆栈

i = 1

现在考虑我们立即执行以下操作：

object boxingObject = valueType;

现在我们在内存中有两个值，一个是堆栈中 valueType 的引用，另一个是堆中的 value 1：

堆栈

boxingObject

堆

1

因此，根据 Microsoft 文档的说明，在对值类型进行装箱时会有额外的内存使用：

将值类型装箱会在堆上分配一个对象实例，并将值复制到新对象中。

请参阅 link 以获取完整信息。

- Ali Ezzat Odeh