C# – Tối ưu hóa chương trình C#

Đây là một số kinh nghiệm về tối ưu hóa mã nguồn C# sau một khoảng thời gian làm việc với nó. Bạn có thể áp dụng một số thủ thuật này trong các ngôn ngữ khác như VB.Net, Java…

Để đo thời gian thực thi của các đoạn mã ví dụ bên dưới, bạn có thể dùng DateTime.Now. Ticks lưu thời điểm bắt đầu và kết thúc. Tuy nhiên .Net cung cấp cho bạn sẵn đối tượng Stopwatch (đồng hồ bấm giờ) nằm trong không gian tên System.Diagnostics để dùng cho những công việc dạng này.

Trong mỗi phần tôi sẽ so sánh hai phương pháp (đoạn mã), phương pháp thứ hai sẽ là phương pháp tối ưu hơn cho bạn lựa chọn. Mặc dù các giải pháp thay thế có thể tốt hơn nhưng không hẳn đã là tối ưu, việc tối ưu một đoạn mã đòi hỏi sự hiểu biết và phân tích khá sâu vào nền tảng .Net, hơn nữa còn phụ vào thuật toán bạn sử dụng trong từng trường hợp.

1.      So sánh chuỗi:

Ở đây tôi dùng hai phương pháp so sánh chuỗi thường sử dụng (có phân biệt hoa thường). Điểm khác biệt giữa hai phương thức này là phương thức thứ 1 là tĩnh (static) nên ta có thể gọi trực tiếp từ lớp String.

–      (1) int String.Compare(string strA, string strB, bool ignoreCase)

–      (2) bool string.Equals(string value, StringComparison comparisonType)

string s1=”aaa”;

string s2=”AAA”;

Đoạn mã 1:

for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
bool b = String.Compare(s1, s2,true)==0;
}

Đoạn mã 2:

for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
bool b = s1.Equals(s2,StringComparison.OrdinalIgnoreCase);
}

Đoạn mã thứ nhất chạy chậm hơn đoạn thứ hai hơn 3 lần. Tuy nhiên nếu bạn sử dụng tham số StringComparison.CurrentCultureIgnoreCase cho phương thức Equals thì tốc độ giữa hai đoạn mã là xấp xỉ. Một số người dùng cách chuyển cả hai chuỗi về dạng chữ hoa hoặc chữ thường rồi so sánh sẽ tốn thời gian lâu nhất (hơn 2 lần so với cách một).

2.      Xây dựng chuỗi – String và StringBuilder:

Đây có lẽ là điều bạn thường gặp và cũng đã nắm bắt được sự khác biệt rõ ràng giữa chúng. Với số lần lặp tương đối lớn bạn sẽ có một khoảng thời gian chờ tương đối lâu khi làm việc với lớp String, vì thế tôi sẽ giảm số lần lặp xuống trong ví dụ này.

Đoạn mã 1:

string str=””;for (int i = 0; i < 10000; i++) 
{
str += “a”;
} 

Đoạn mã 2:

StringBuilder str=new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
str.Append(“stanford”);
}

Kết quả cho ta thấy đoạn mã một chạy chậm hơn khoảng từ 200 đến 300 lần đoạn mã hai. Nguyên nhân là toán tử + của lớp string sẽ tạo ra một đối tượng string mới trong mỗi lần lặp, trong khi phương thức Append của StringBuilder sẽ nối trực tiếp vào chuỗi hiện tại.

Tuy nhiên cũng cần chú ý điều này có thể ngược lại nếu như bạn cần chuyển chuỗi StringBuilder thành String trong mỗi lần lặp. Tốc độ thực thi của đoạn mã thứ hai sẽ lâu hơn so với đoạn mã một. Hãy kiểm chứng bằng cách chạy thử đoạn mã hai sau khi sửa lại như sau:

Đoạn mã 2 (đã sửa):

stringBuilder str = new StringBuilder();
string strRet;
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
str.Append(“stanford”);
strRet = str.ToString();
}

3.      Nối chuỗi – Phương thức Insert() và toán tử +:

Bạn thường sử dụng hai cách để nối hai chuỗi lại với nhau là dùng toán tử + và phương thức Insert() của đối tượng string. Cách đầu tiên được sử dụng nhiều hơn vì cách viết tiện lợi và dễ hiểu hơn, tuy nhiên bạn chỉ có thể nối vào đầu hoặc cuối chuỗi. Hãy thử so sánh xem phương pháp nào cho tốc độ thực thi nhanh hơn, giả sử bạn cần nối một chuỗi con vào đầu một chuỗi.

Đoạn mã 1:

string str=””;
for (int i = 0; i < 10000; i++
{
str = “dau lap trinh”;
str= str.Insert(0, “stanford “);
}

Đoạn mã 2:

string str=””;
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
str = “day lap trinh”;
str = “stanford ” + str;
}

Nếu chạy thử vài lần, bạn sẽ nhận thấy rằng đoạn mã thứ hai chạy nhanh gấp đôi đoạn mã một. Tuy nhiên nếu như không khởi tạo lại giá trị của biến str trong mỗi lần lặp, tốc độ của hai đoạn mã này là xấp xỉ nhau.

4.      Cắt chuỗi – Substring() và Remove():

Hai phương thức trên của lớp string có chức năng khá giống nhau là cắt bỏ một phần chuỗi nguồn. Cả hai phương thức đều có 2 kiểu nạp chồng, và đều yêu cầu truyền vào vị trí bắt đầu của chuỗi. Tùy vào trường hợp, Substring() thích hợp cho việc cắt bỏ chuỗi phía trước, còn Remove() lại thường dùng để cắt bỏ phía sau chuỗi. Trong ví dụ này tôi sẽ dùng hai phương thức này để cắt bỏ 1 kí tự phía trước chuỗi:

Đoạn mã 1:

string str;
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
str = “string”;
str = str.Remove(0, 1);
}

Đoạn mã 2:
string str;
for (int i = 0; i < 10000; i++)
{
str = “string”;
str = str.Substring(1);
} 

Sự khác biệt giữa đoạn mã hai so với đoạn mã một là tốc độ nhanh hơn khoảng 2 lần. Tuy nhiên sự khác biệt này sẽ trở nên khó phân biệt nếu như bạn dùng chúng để cắt ở vị trí khác, như là cuối chuỗi chẳng hạn.

5.      Chuyển đối tượng về dạng chuỗi – Format() và ToString();

Format là một phương thức khá hiệu quả trong một số trường hợp bạn cần thêm các tham số và một chuỗi, sử dụng tương tự như cách bạn in một chuỗi ra màn hình console bằng phương thức WriteLine().

Đoạn mã 1:

string str = “”;
int obj = 1;
for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
str = String.Format(“{0}{0}{0}{0}{0}{0}{0}{0}{0}{0}”, obj)
}

Đoạn mã 2:

string str = “”;
int obj = 1;
for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
string s = obj.ToString();
str = s + s + s + s + s + s + s + s + s + s;
}

Ở đây tôi tạo ra một đối tượng string với giá trị là mười số 1 trong mỗi lần lặp. Cả hai phương pháp này đều chạy khá lâu với số lần lặp là 100000. Tuy nhiên đoạn mã thứ nhất sẽ tốn thời gian gấp gần 5 lần so với đoạn mã thứ hai, mặc dù đoạn mã thứ hai còn sử dụng toán tử cộng chuỗi.

6.      Sự khác biệt giữa các phương thức nạp chồng (overloaded)

Bạn có thể không để ý rằng giữa các phương thức nạp chồng, thực hiện cùng một công việc lại có sự khác biệt về khoảng thời gian mà chúng thực thi. Điều này thường thấy trong các phương thức với tham số là một hoặc nhiều kiểu đối tượng được tạo ra từ những thành phần đơn giản hơn.

Chẳng hạn như phương thức khởi tạo của đối tượng Rectangle, ta sẽ thử xét hai phương thức:

–      (1) Rectangle (Point location, Size size)

–      (2) Rectangle (int x, int y, int width, int height)

Sự khác biệt về thời gian thực thi giữa 2 phương thức phụ thuộc vào đoạn mã chúng ta viết.

Nếu bạn so sánh giữa 2 đoạn mã sau:

Đoạn mã 1:

for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
Rectangle rec = new Rectangle(new Point(i,i), new Size(i,i));
}

Đoạn mã 2:

for (int i = 0; i < 100000; i++)
{
Rectangle rec = new Rectangle(i,i,i,i);
}

Bạn có thể nhận thấy là đoạn mã thứ nhất chạy lâu hơn đoạn thứ hai khoảng 7 lần. Lý do xảy ra điều này bạn có thể đoán được là phương thức thứ nhất phải tạo ra 2 đối tượng trong mỗi lần lặp.

7.      Hạn chế sử dụng khối try catch:

Việc xử lý các ngoại lệ trong C# thường chiếm một khoảng thời gian tương đối lâu. Một số ngoại lệ có thể dự đoán trước được ,và thay vì sử dụng khổi try catch để bao đoạn mã không an toàn này lại, bạn hãy tự xử lý thông qua các dòng lệnh kiểm tra trước khi để đoạn mã tiếp tục thực hiện. Đây là một ví dụ:

int a = 0, b = 10;

Đoạn mã 1:

for (int i = 0; i < 1000; i++)
{
try
{
int c = b / a;
}
catch { } 
}

Đoạn mã 2:

for (int i = 0; i < 1000; i++)
{
if (a == 0)
continue;
int c = b / a;
}

Dòng lệnh int c = b / a dĩ nhiên luôn ném ra ngoại lệ Divide by Zero (chia cho 0) nếu được thực thi. Tuy nhiên ngoại lệ này bạn có thể đoán trước và kiểm tra mẫu số phải khác 0 trước khi tiếp tục hay không. Sự cẩn trọng như trong đoạn mã 2 giúp bạn tiết kiệm được thời gian khoảng 30,000 (30 nghìn) lần so với đoạn mã 1.

8.      Hạn chế việc gọi phương thức:

Việc gọi phương thức nhiều lần có thể làm giảm tốc độ thực thi của chương trình so với việc viết trực tiếp thân hàm vào nơi cần thiết. Vì thế đối với những phương thức có nội dung đơn giản và không được gọi ở nhiều nơi khác nhau, bạn nên loại bỏ bớt đi những phương thức này. Điều này thường ít xảy ra nhưng có thể giúp bạn cẩn thận hơn trong việc quyết định có nên tạo ra một phương thức mới hay không.

Giả sử bạn có 1 phương thức Method() đơn giản như sau:

private void Method()
{
int a = 1, b = 2;
int c = a + b;
}

Bạn có hai cách để thực thi hai phương thức trên như sau:

Đoạn mã 1:

for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
Method();
}

Đoạn mã 2:

for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
int a = 1, b = 2;
int c = a + b;
}

Đoạn mã thứ hai chạy nhanh đoạn thứ nhất 3 lần. Các lệnh nhảy mặc dù rất tốn rất ít chi phí nhưng với số lượng nhiều có thể làm chậm tốc độ thực thi của chương trình khá rõ ràng.

9.      Sử dụng cấu trúc thay cho lớp:

Đối với những kiểu dữ liệu đơn giản và không cần tham chiếu, bạn nên sử dụng cấu trúc (structure) thay cho lớp (class), điều này sẽ giúp giảm bớt chi phí tài nguyên tiêu hao cho chương trình của bạn. Tuy nhiên bạn cũng cần cân nhắc dựa vào yêu cầu của dự án trước khi quyết định dùng struct hay class cho phù hợp.

Giả sử bạn có một lớp và một cấu trúc có cùng thành viên và thuộc tính đơn giản như sau:

class MyClass
{
private int value;
public int Value
{
get { return this.value; }
set { this.value = value; }
}
}
struct MyStruct
{
private int value;
public int Value
{
get { return this.value; }
set { this.value = value; }
}
}

Hai đoạn mã cũng thực hiện cùng một nhiệm vụ:

Đoạn mã 1:

for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
MyClass myClass = new MyClass();
myClass.Value = 1;
}

Đoạn mã 2:

for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
MyStruct myStruct= new MyStruct();
myStruct.Value = 1;
}

Khi chạy thử bạn có thể nhận thấy đoạn mã thứ hai chạy nhanh hơn khoảng trên 4 lần so với đoạn mã thứ nhất. Lý do chính khá đơn giản là cấu trúc đơn giản và có ít tính năng hơn lớp, vì thế như đã nói trước, bạn chỉ nên sử dụng đối với những kiểu dữ liệu đơn giản, thành viên của nó thường là những kiểu dữ liệu đã được xây dựng sẵn.

10.  Sử dụng tập hợp (collection) có định kiểu:

Mục đích của việc này là giúp hạn chế tối đa việc ép kiểu khi bạn thao tác với các tập hợp này. Thường thì chúng ta chỉ chứa một loại đối tượng trong một tập hợp, vì thế thay vì dùng lớp ArrayList để lưu trữ, bạn hãy thử dùng List<T>. Các tập hợp có định kiểu được cung cấp trong namespace System.Collections.Generic.

11.  Mảng (array) và tập hợp  (collection) – tốc độ hay sự linh hoạt:

Bạn có thể đã biết rằng việc sử dụng mảng sẽ giúp truy xuất nhanh hơn tuy hơn lại không linh hoạt bằng tập hợp. Về mặt lý thuyết, tập hợp giống như một danh sách liên kết (linked list) với khả năng cấp phát động để cung cấp các thao tác thêm, xóa theo vị trí mà mảng không hỗ trợ. Trong một số trường hợp, nếu không cần đến các chức năng này của tập hợp, bạn nên sử dụng mảng để tối ưu cho chương trình của mình.

Đoạn mã 1:

List<int> list = new List<int>();
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
list.Add(1);
}

Đoạn mã 2:

int[] arr = new int[1000000];
for (int i = 0; i < arr.Length; i++)
{
arr[i] = 1;
}

Tốc độ thực thi của đoạn mã thứ hai có thể nhanh hơn 4-6 lần đoạn mã một. Tuy nhiên nếu bạn sử dụng ArrayList trong đoạn mã một, sự khác biệt này có tăng lên đến 15 lần. Một lần nữa bạn thấy sự cải thiện đáng kể khi sử dụng tập hợp có định kiểu.

Trên đây chỉ là một vài kinh nghiệm cơ bản, bạn có thể tự tìm hiểu và khám phá thêm trong quá trình thực hành với lập trình C#. 

Tags: