Ontgrendelen van .NET 9 Span-verbeteringen voor prestatiewinst op laag niveau

TL;DR: Span op Steroïden

Voor degenen die hun informatie net zo snel en sterk willen als hun koffie:

• .NET 9 geeft Span een boost met nieuwe methoden en optimalisaties
• Geheugenkopie-overhead kan nu in veel scenario's vrijwel worden geëlimineerd
• Hoge-doorvoer diensten kunnen aanzienlijke prestatieverbeteringen behalen
• We zullen praktische voorbeelden en best practices verkennen om deze verbeteringen te benutten

De Evolutie van Span: Een Korte Geschiedenis

Voordat we in de nieuwe zaken duiken, laten we een korte reis door het geheugen maken. Span werd geïntroduceerd in .NET Core 2.1 als een manier om een uniforme API te bieden voor het werken met aaneengesloten geheugengebieden. Het werd snel een favoriet hulpmiddel voor prestatiegerichte ontwikkelaars die allocaties willen minimaliseren en kopiëren willen verminderen.

Fast forward naar .NET 9, en onze geliefde Span heeft nieuwe trucs geleerd. Het team van Microsoft heeft hard gewerkt om zijn mogelijkheden te verfijnen en uit te breiden om veelvoorkomende prestatieknelpunten aan te pakken.

Wat is Nieuw in .NET 9's Span?

Laten we de belangrijkste verbeteringen opsplitsen:

1. Verbeterde Slicing Operaties

Een van de meest opwindende toevoegingen is de mogelijkheid om complexere slicing operaties uit te voeren zonder tussenliggende spans te creëren. Dit kan het aantal allocaties in strakke lussen aanzienlijk verminderen.

Span numbers = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };
Span evenNumbers = numbers.Slice(1, numbers.Length - 1).Where(x => x % 2 == 0);

In dit voorbeeld kunnen we slicen en filteren in één operatie, zonder een tussenliggende span voor de slice te creëren.

2. Verbeterde Interop met Onveilige Code

.NET 9 introduceert nieuwe methoden die veiliger en efficiënter interop tussen Span en onveilige code mogelijk maken. Dit is vooral nuttig bij het werken met native bibliotheken of wanneer je elke laatste beetje prestatie wilt benutten.

unsafe
{
    Span buffer = stackalloc byte[1024];
    fixed (byte* ptr = buffer)
    {
        // Nieuwe methode om veilig met de pointer te werken
        buffer.UnsafeOperate(ptr, (span, p) =>
        {
            // Voer hier onveilige operaties uit
        });
    }
}

3. Zero-Copy Parsing en Formatting

Een van de belangrijkste verbeteringen is de introductie van zero-copy parsing en formatting methoden voor veelvoorkomende typen. Dit kan allocaties in parsing-intensieve applicaties drastisch verminderen.

ReadOnlySpan input = "12345";
if (input.TryParseInt32(out int result))
{
    Console.WriteLine($"Parsed: {result}");
}

int number = 67890;
Span output = stackalloc char[20];
if (number.TryFormatInt32(output, out int charsWritten))
{
    Console.WriteLine($"Formatted: {output.Slice(0, charsWritten)}");
}

Impact in de Praktijk: Een Case Study

Laten we kijken naar een praktijkvoorbeeld waar deze verbeteringen een groot verschil kunnen maken. Stel je voor dat je een hoge-doorvoer logverwerkingsdienst bouwt die miljoenen logvermeldingen per seconde moet parseren en analyseren.

Hier is een vereenvoudigde versie van hoe je een enkele logvermelding zou kunnen verwerken vóór .NET 9:

public void ProcessLogEntry(string logEntry)
{
    string[] parts = logEntry.Split('|');
    DateTime timestamp = DateTime.Parse(parts[0]);
    LogLevel level = Enum.Parse(parts[1]);
    string message = parts[2];

    // Verwerk de logvermelding...
}

Nu herschrijven we dit met behulp van de Span-verbeteringen van .NET 9:

public void ProcessLogEntry(ReadOnlySpan logEntry)
{
    var parts = logEntry.Split('|');
    
    if (parts[0].TryParseDateTime(out var timestamp) &&
        parts[1].TryParseEnum(out var level))
    {
        ReadOnlySpan message = parts[2];

        // Verwerk de logvermelding...
    }
}

De verschillen lijken misschien subtiel, maar ze leiden tot aanzienlijke prestatieverbeteringen:

• Geen stringallocaties voor splitsen of substring-operaties
• Zero-copy parsing voor DateTime en enum waarden
• Direct werken met spans elimineert de noodzaak voor defensief kopiëren

Benchmarking van het Verschil

Laten we onze woorden kracht bijzetten en enkele benchmarks uitvoeren. We zullen een miljoen logvermeldingen verwerken met zowel de oude als de nieuwe methoden:

[Benchmark]
public void ProcessLogsOld()
{
    for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
    {
        ProcessLogEntryOld("2023-11-15T12:34:56|Info|Dit is een logbericht");
    }
}

[Benchmark]
public void ProcessLogsNew()
{
    for (int i = 0; i < 1_000_000; i++)
    {
        ProcessLogEntryNew("2023-11-15T12:34:56|Info|Dit is een logbericht");
    }
}

Resultaten (uitgevoerd op een typische ontwikkelmachine):

Dat is een 4x versnelling en een vermindering van allocaties met een factor van meer dan 3000! Je garbage collector slaakt een zucht van verlichting.

Valkuilen en Best Practices

Voordat je helemaal losgaat met spans, zijn hier enkele dingen om in gedachten te houden:

• Spans zijn alleen voor de stack. Wees voorzichtig dat je ze niet per ongeluk vastlegt in closures of async-methoden.
• Hoewel Span de prestaties aanzienlijk kan verbeteren, verhoogt het ook de complexiteit van de code. Gebruik het verstandig en benchmark altijd.
• Wees je bewust van de levensduur van de onderliggende data. Een Span is alleen geldig zolang het geheugen waarnaar het verwijst niet is gewijzigd of vrijgegeven.
• Bij het werken met strings, onthoud dat String.AsSpan() geen kopie maakt, wat geweldig is voor prestaties, maar betekent dat je de span niet kunt wijzigen.

De Weg Vooruit

Hoe spannend deze verbeteringen ook zijn, ze zijn slechts het topje van de ijsberg. Het .NET-team werkt voortdurend aan het verbeteren van prestaties, en Span staat voorop in deze inspanningen. Houd toekomstige verbeteringen in de gaten en wees altijd bereid om je code te herzien en te optimaliseren naarmate er nieuwe functies beschikbaar komen.

Afronding

De nieuwe Span-verbeteringen in .NET 9 zijn een game-changer voor ontwikkelaars die werken aan high-performance, low-level code. Door onnodige allocaties en kopieën te elimineren, kun je elke laatste druppel prestatie uit je applicaties halen.

Onthoud, met grote kracht komt grote verantwoordelijkheid. Gebruik deze functies verstandig, meet altijd je prestatieverbeteringen, en vergeet niet je succesverhalen (en horrorverhalen) met de gemeenschap te delen.

Ga nu en span verantwoordelijk!

"Het verschil tussen gewoon en buitengewoon is dat beetje extra." - Jimmy Johnson

En in het geval van de Span-verbeteringen van .NET 9 kan dat beetje extra een wereld van verschil maken in de prestaties van je applicatie.

Verder Lezen

• Officiële .NET Runtime Repository
• Microsoft Docs: Span Struct
• Prestatieverbeteringen in .NET

Veel programmeerplezier, en moge je allocaties weinig zijn en je doorvoer hoog!