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第27天:效能最佳化

課程簡介

今天的課程將聚焦於 效能最佳化,這是開發高效、快速應用程式的關鍵。效能最佳化不僅能改善應用程式的運行速度,還能降低資源消耗,提高使用者體驗。在 .NET 開發中,我們可以從多個層面進行效能優化,包括程式碼結構、資源管理、記憶體分配以及異步處理。


學習目標

  • 了解效能瓶頸的常見來源
  • 掌握基礎的程式碼層級效能優化技巧
  • 探索記憶體管理與垃圾回收機制
  • 學習異步與並行處理來提升應用程式的響應能力

課程內容

1. 確認效能瓶頸

在進行效能優化之前,我們需要先確認應用程式中的 效能瓶頸。常見的效能問題來源包括:

  • 過多的計算:程式中某些部分需要過多的計算資源。
  • 不必要的 I/O 操作:例如過多的檔案操作或資料庫查詢。
  • 不良的記憶體管理:記憶體洩漏或過度使用記憶體。

使用效能分析工具

在 .NET 中,可以使用 Visual Studio 診斷工具dotnet tracedotnet-counters 來分析應用程式的效能問題。


2. 提升程式碼層級的效能

優化迴圈與條件判斷

迴圈與條件判斷常是效能問題的來源。優化這些基本語法結構可以顯著提升效能。

  • 使用 foreach 代替 for,特別是在處理集合時。
  • 儘量減少迴圈中的不必要操作,將不變的表達式移到迴圈外。
  • 善用 switch 代替多層 if-else 結構。

避免不必要的物件分配

頻繁創建和銷毀物件會影響效能,特別是當應用程式需要頻繁執行這些操作時。優化建議:

  • 使用 物件池(Object Pool)來重複利用物件。
  • 使用結構(struct)代替類別(class),特別是在處理小型且頻繁操作的資料時,因為結構會儲存在堆疊而非堆積。

字串處理效能

在處理大量字串時,應避免頻繁的字串串接。因為每次串接字串都會創建一個新的物件,導致記憶體浪費。

  • 使用 StringBuilder 來進行多次字串操作。
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StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 1000; i++)
{
    sb.Append("Some string ");
}

3. 記憶體管理與垃圾回收

.NET 中的記憶體管理依賴於 垃圾回收機制(GC),它會自動回收不再使用的物件。然而,頻繁的 GC 操作會影響效能。因此,理解如何有效管理記憶體是非常重要的。

減少記憶體分配與回收

  • 減少大物件堆積:.NET 的垃圾回收對於大物件的處理會比較頻繁。因此,應避免創建過多的大物件,或者使用物件池來優化大物件的管理。
  • 短命物件的快速回收:短命物件會被快速回收,應避免讓短命物件意外成為長命物件。

使用 Span 來減少記憶體分配

**Span** 是一種新的資料結構,它能在不分配額外記憶體的情況下,進行資料切片操作,這在效能優化中特別有用。

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Span<int> span = new int[] { 1, 2, 3, 4 };
Span<int> slice = span.Slice(1, 2); // 取得中間兩個元素

4. 異步與並行處理

在處理 I/O 操作(如檔案操作或資料庫查詢)時,應使用 異步(async/await)並行處理 來提升效能,避免阻塞應用程式的主要執行緒。

使用 async/await 寫異步程式碼

異步方法可以讓應用程式在執行長時間任務(如 I/O 操作)時保持響應。

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public async Task<string> GetDataAsync()
{
    // 模擬一個長時間的 I/O 操作
    await Task.Delay(2000);
    return "Data received";
}

Task 與並行程式設計

在需要同時執行多個工作時,可以使用 Task Parallel Library (TPL) 來進行並行程式設計。

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public async Task ProcessDataAsync()
{
    var task1 = Task.Run(() => DoWork1());
    var task2 = Task.Run(() => DoWork2());

    await Task.WhenAll(task1, task2);
}

這樣做能讓多個工作並行執行,大幅提升效能。


5. 資料庫效能最佳化

資料庫通常是應用程式中的效能瓶頸之一。優化資料庫查詢以及應用程式與資料庫的互動方式,可以顯著提升效能。

減少資料庫查詢次數

每次查詢資料庫都會有 I/O 操作的開銷,因此應儘量減少不必要的查詢。可以使用以下方式優化:

  • 批量查詢:一次性檢索所有所需資料,而非多次查詢。
  • 快取(Caching):對於不頻繁變更的資料,可以將結果快取起來,減少資料庫負擔。

使用異步資料庫操作

現代的 ORM(如 Entity Framework)支持異步資料庫操作。透過異步查詢可以避免主執行緒被資料庫操作阻塞,提升應用程式的響應速度。

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public async Task<List<User>> GetUsersAsync()
{
    return await _dbContext.Users.ToListAsync();
}

6. 網路效能優化

對於 Web 應用程式,網路請求的效能優化是不可忽視的一環。這裡介紹幾個關鍵技術:

  • 壓縮:在傳輸大資料量時,應對資料進行壓縮(如使用 Gzip)。
  • CDN:使用內容分發網路(Content Delivery Network)來減少伺服器負載並縮短資料傳輸距離。

7. 實作練習

  1. 程式碼優化
    • 優化現有專案中的迴圈和字串操作,測試效能變化。
  2. 記憶體優化
    • 使用 Span 和物件池來減少記憶體分配和回收,測試其對 GC 的影響。
  3. 異步與並行處理
    • 將應用程式中的同步操作轉換為異步,並使用 Task 並行處理大量任務,觀察應用程式響應能力的提升。

教學重點

  • 學會使用效能分析工具來識別應用程式中的效能瓶頸。
  • 掌握多種效能優化策略,從迴圈優化到字串操作再到記憶體管理。
  • 理解異步與並行處理的優勢,並將其應用於 I/O 密集型應用程式中。
  • 優化資料庫查詢和網路請求,減少不必要的 I/O 開銷。

透過這些效能最佳化的技巧,開發者能夠創建運行速度快、資源佔用少且具有良好使用者體驗的應用程式。

本文章以 CC BY 4.0 授權