.NET9 实现对象深拷贝和浅拷贝的性能测试

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。

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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   ─────┘

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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：

1. 手动实现：为每个引用类型字段创建新实例。
2. 序列化反序列化（如 System.Text.Json, Newtonsoft.Json 等）。
3. 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   ─────┘

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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

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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。

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📦 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

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// 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：

以下是对 BenchmarkDotNet 测试报告的详细分析与解释：

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📊 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）

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🧪 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

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🔍 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。

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✅ 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。

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⚠️ 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）。

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📌 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

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🛠️ 建议优化方向

1. 避免使用 JSON 序列化进行频繁深拷贝，除非对象结构非常复杂。
2. 优先手动实现深拷贝逻辑 或使用源生成工具（如 FastDeepCloner）提升性能。
3. 若需通用性，可结合缓存机制减少重复深拷贝开销。
4. 对性能要求极高时，可使用 Span<T> 或 Memory<T> 进行无堆分配拷贝。