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.NET9 实现对象深拷贝和浅拷贝的性能测试

news 2025/7/13 10:32:15

在 .NET 中，深拷贝（Deep Copy） 和 浅拷贝（Shallow Copy） 是对象复制的两种方式，它们的区别在于是否复制对象内部引用的其他对象。

浅拷贝（Shallow Copy）

定义：

浅拷贝创建一个新对象，并将原对象的所有字段复制到新对象中。如果是值类型字段，直接复制其值；如果是引用类型字段，则只复制引用地址（指针），而不复制引用的对象本身。

特点：

原始对象与副本共享引用类型的成员。
修改其中一个对象的引用成员会影响另一个对象。
通常速度快、开销小。

实现方式：

使用 MemberwiseClone() 方法实现浅拷贝。

示例代码：

public object ShallowCopy()
{return this.MemberwiseClone();
}

图示说明：

OriginalPerson.Address ───┐├─ 指向同一个 Address 对象
CopyPerson.Address   ─────┘

深拷贝（Deep Copy）

定义：

深拷贝不仅复制对象本身，还会递归地复制对象所引用的其他对象，生成一个完全独立的副本。

特点：

原始对象和副本之间没有共享的引用对象。
修改副本不会影响原始对象。
通常比浅拷贝更耗性能。

实现方式：

手动实现：为每个引用类型字段创建新实例。
序列化反序列化（如 System.Text.Json, Newtonsoft.Json 等）。
表达式树或反射生成器（如：第三方包 DeepCloner，FastDeepCloner 等）。

示例代码

使用 JSON 序列化：

public Person DeepCopy()
{var json = JsonSerializer.Serialize(this);return JsonSerializer.Deserialize<Person>(json)!;
}

图示说明：

OriginalPerson.Address ───┐├─ 指向不同的 Address 对象（内容相同）
CopyPerson.Address   ─────┘

总结对比

特性	浅拷贝	深拷贝
引用对象复制	不复制，仅复制引用	复制，生成新对象
内存占用	小	大
性能	快	较慢
修改互不影响	否（修改引用对象会互相影响）	是（完全独立）
典型实现方法	`MemberwiseClone()`	序列化、手动复制、第三方库

对象设计

设计一个 Person 类，里面包含了一个 Address 引用类型字段：

internal class Person
{public string Name { get; set; } = string.Empty;public int Age { get; set; }public Address Address { get; set; } = new();
}

ShallowCopy()：复制了 Name、Age 的值，但 Address 字段只是复制了引用。
DeepCopy() ：完整复制整个对象图，包括 Address 实例。 .NET 9 推荐使用 System.Text.Json 或其他现代方式实现深拷贝。

📦 项目准备

.net 控制台项目信息

<Project Sdk="Microsoft.NET.Sdk"><PropertyGroup><OutputType>Exe</OutputType><TargetFramework>net9.0</TargetFramework><ImplicitUsings>enable</ImplicitUsings><Nullable>enable</Nullable><PublishAot>true</PublishAot><InvariantGlobalization>true</InvariantGlobalization></PropertyGroup><ItemGroup><PackageReference Include="Datadog.Trace.BenchmarkDotNet" Version="2.61.0" /><PackageReference Include="System.Text.Json" Version="9.0.6" /></ItemGroup></Project>

创建一个 Person 对象，分别实现对象的深拷贝和浅拷贝方

using System.Text.Json;namespace BenchmarkTest.examples.Copy;// 创建一个包含深拷贝和浅拷贝方法的类
public class Person
{public string Name { get; set; } = string.Empty;public int Age { get; set; }public Address Address { get; set; } = new();// 浅拷贝public object ShallowCopy() => this.MemberwiseClone();// 深拷贝 (使用 System.Linq.Expressions 手动实现)public Person DeepCopy1() => new(){Name = this.Name,Age = this.Age,Address = new Address{Street = this.Address.Street,City = this.Address.City}};// 深拷贝 (使用 System.Text.Json)public Person DeepCopy2(){var json = JsonSerializer.Serialize(this);return JsonSerializer.Deserialize<Person>(json)!;}
}[Serializable]
public class Address
{public string Street { get; set; } = string.Empty;public string City { get; set; } = string.Empty;
}

拷贝测试类 CopyBenchmark

//===========================
// 拷贝测试类 CopyBenchmark
//===========================using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Configs;
using BenchmarkDotNet.Running;
using Datadog.Trace.BenchmarkDotNet;namespace BenchmarkTest.examples.Copy;[DatadogDiagnoser]
[MemoryDiagnoser]
public class CopyBenchmark
{private Person _person = new();[GlobalSetup]public void Setup(){_person = new Person{Name = "John",Age = 30,Address = new Address { Street = "Main St", City = "New York" }};}[Benchmark]public object ShallowCopyTest() => _person.ShallowCopy();[Benchmark]public object DeepCopy1Test() => _person.DeepCopy1();[Benchmark]public object DeepCopy2Test() => _person.DeepCopy2();public static void Run(IConfig config){var summary = BenchmarkRunner.Run<CopyBenchmark>(config);Console.WriteLine(summary);}
}

🏁 启动基准测试

在 Program.cs 中运行基准测试

using BenchmarkDotNet.Configs;
using BenchmarkTest.examples.Copy;
using Datadog.Trace.BenchmarkDotNet;Console.WriteLine("Hello, BenchmarkDotNetTest!");var config = DefaultConfig.Instance.WithDatadog();
CopyBenchmark.Run(config);

运行测试

dotnet run -c Release

输出信息：

CopyBenchmark

以下是对 BenchmarkDotNet 测试报告的详细分析与解释：

📊 测试环境概览

项目	说明
BenchmarkDotNet 版本	v0.13.2
操作系统	Windows 11 (10.0.26100)
.NET SDK	9.0.301
运行时	.NET 9.0.6（AOT/AVX2）

🧪 性能指标说明

指标	含义
Mean	平均执行时间（纳秒 ns）
Error	置信区间误差范围（通常为 ± 值）
StdDev	标准差，衡量运行时间波动性
Median	中位数，比平均值更稳定
Gen0	Gen0 GC 次数（每 1000 次操作）
Allocated	每次操作分配的内存大小

🔍 测试方法分析

✅ ShallowCopyTest

Mean: 69.06 ns
Allocated: 40 B
特点：
- 使用 MemberwiseClone() 实现浅拷贝。
- 只复制对象本身字段，引用类型字段共享地址。
- 性能高、内存占用低。
- 不涉及复杂序列化或深拷贝逻辑。

结论：速度快，适用于不需要独立副本的场景。

✅ DeepCopy1Test

Mean: 27.87 ns
Allocated: 104 B
实现方式：
- 手动实现的深拷贝（new 新对象并赋值）。
- 或者使用了高性能的表达式树/源生成器等技术。

结论：相比浅拷贝速度最快（手动 new 实现方式），但内存分配多了2倍多，仍是高效且完全独立的对象副本，适合大多数业务场景。

⚠️ DeepCopy2Test

Mean: 1,693.59 ns（约 60 倍于 DeepCopy1）
Allocated: 1,168 B（约 10 倍于 DeepCopy1）
实现方式：
- 使用 JSON 序列化反序列化（如 System.Text.Json）。
- 或者第三方库。

结论：性能明显下降，适合数据结构复杂但需要通用性的场景。若对性能敏感，应考虑优化深拷贝方式（如手动克隆或使用 FastDeepCloner 等库）。

📌 总结对比

方法	执行时间	内存分配	是否独立副本	推荐用途
`ShallowCopyTest`	⚠️ 较快	✅ 最少	❌ 否	快速只读复制
`DeepCopy1Test`	✅ 最快	⚠️ 适中	✅ 是	高性能深拷贝
`DeepCopy2Test`	❌ 慢	❌ 较多	✅ 是	复杂结构 / 快速开发