زمانیکه تصمیم میگیریم کدهای زده شده را بهینه کنیم، اکثرا دنبال راه حل‌های جدید نمیگردیم. این مورد کاملا غریزی است؛ چرا که به‌دنبال کم‌ترین انرژی و بیشترین بازدهی هستیم؛ این طبیعت انسان است. صرفا کدهای قبلی را بازبینی میکنیم و سعی میکنیم  نحوه‌ی نوشتن منطق‌های موجود را بهینه کنیم. در همین راستا درک عملکرد Task و ValueTask ‌ها شاید قدمی مهم در مورد بهینه کردن کد‌ها باشد؛ چرا استفاده درست و بجای این دو مورد می‌تواند تاثیر زیادی بر روی سرعت و استفاده از مصرف حافظه داشته باشد؟ در این مقاله سعی میکنیم تا درک درستی از این دو داشته باشیم.

Task<T>  چیست؟

Task یک کلاس در فضای نام System.Threading.Tasks است؛ به‌طوریکه کمک میکند تا یک قسمت از برنامه به صورت مستقل از Thread اصلی اجرا شود. به‌بیان دیگر می‌تواند یک Thread Pool را ایجاد و با توجه به روند کار، از یک مرحله‌ی اجرایی به مرحله‌ای دیگر منتقل می‌کند. همچنین هر Task می‌تواند یک مقدار برگشتی نیز داشته باشد.

 این درحالی‌است که می‌تواند صرفا یک فرآیند را اجرا کند، بدون اینکه خروجی داشته باشد. به‌عبارتی دیگر اگر فرآیندی داشته باشیم که در نهایت یک شناسه را برمیگرداند، از Task<int> و اگر فرآیندی داشته باشیم که صرفا فرآیند همگام سازی داده‌های قدیمی به جدید را انجام میدهد، می‌تواند از نوع Task باشد.

همانطور که اشاره شد، Task یک کلاس است که شامل متد‌ها و فیلد‌های مختلفی می‌باشد. با استفاده از این اعضا می‌توان نحوه‌ی اجرای کدها و وضعیت‌های مختلف اجرای آن را مدیریت کرد، تا در نهایت اجرای آن کامل شود.

به دلیل اینکه Task یک class است و class ‌ها از نوع ReferenceType می‌باشند، روی حافظه‌ی Heap ذخیره می‌شوند و به‌ازای هر بار فراخوانی متدی که خروجی Task دارد، شیء Task را روی Heap ذخیره میکند. این شیء وضعیت اجرای قسمتی از کد ما را که میتواند sync یا async باشد، در خود ذخیره میکند تا در نهایت اجرای آن کامل شود.

نحوه استفاده از Task<T>

برای درک بهتر، یک تکه کد را با بهره بردن از Task ایجاد میکنیم :

public static class DummyWeatherProvider
{
    public static async Task<Weather> Get(string city)
    {
        await Task.Delay(10);
        var weather = new Weather 
        { 
            City = city, 
            Date = DateTime.Now, 
            AvgTempratureF = new Random().Next(5, 70) 
        };
        
        return weather;
    }
}

static async Task CheckTaskStatus()
{
   var task = DummyWeatherProvider.Get("Stockholm");
    LogTaskStatus(task.Status);
    await task;
    LogTaskStatus(task.Status);
}

static void LogTaskStatus(TaskStatus status)
{
    Console.WriteLine($"Task Status: {Enum.GetName(typeof(TaskStatus), status)}");
}

ValueTask<T>  چیست؟

همانند Task ، ValueTask هم برای مدیریت وضعیت فرآیند استفاده میشود؛ با این تفاوت که ValueTask ‌ها از نوع struct هستند. به‌طوریکه نحوه‌ی ذخیره سازی آن‌ها در حافظه به نسبت class ‌ها کاملا متفاوت است. از نقطه نظر سرعت، تشخیص دادن اینکه کدامیک باید استفاده شود، باید با توجه به سناریو، بررسی و انتخاب شود؛ چرا که از نظر تخصیص حافظه متفاوت عمل می‌کنند. برای درک بهتر عملکرد ValueTask ‌ها کد زیر را بررسی میکنیم :

public class WeatherService
{
    private readonly ConcurrentDictionary<string, Weather> _cache;
    public WeatherService()
    {
        _cache = new();
    }

    public async Task<Weather> GetWeatherTask(string city)
    {
        if (!_cache.ContainsKey(city))
        {
            var weather = await DummyWeatherProvider.Get(city);
            _cache.TryAdd(city, weather);
        }
        return _cache[city];
    }

    public async ValueTask<Weather> GetWeatherValueTask(string city)
    {
        if (!_cache.ContainsKey(city))
        {
            var weather = await DummyWeatherProvider.Get(city);
            _cache.TryAdd(city, weather);
        }
        return _cache[city];   
  }

کلاس WeatherService شامل یک فیلد private از نوع collection و دو متد است. ما از _cache  جهت نگهداری اطلاعاتی که قبلا دریافت شده، استفاده می‌کنیم و به نوعی in-memory cache را پیاده سازی میکنیم. پیاده سازی منطق هر دو متد  GetWeatherTask و GetWeatherValueTask  کاملا شبیه به هم است؛ به‌طوری‌که اول بررسی میکنیم اطلاعات آب و هوای شهر مورد نظر در _cache وجود دارد یا خیر؟ اگر وجود داشت، اطلاعات به صورت مستقیم برگشت داده می‌شود؛ در غیر این صورت DummyWeatherProvider.Get()  فراخوانی خواهد شد. 

در قدم بعدی اطلاعات به‌دست آمده را در _cache ذخیره می‌کنیم. سپس مقدار ذخیره شده را برگشت میدهیم. در واقع تنها تفاوت دو متد ذکر شده، نوع خروجی آن می‌باشد؛ یکی از Taskو دیگری از ValueTask استفاده می‌کند.

برای مقایسه‌ی مصرف حافظه‌ی این دو روی هر دو متد، Benchmark میگیریم. برای پیاده سازی نیار به کد‌های زیر داریم : 

[MemoryDiagnoser]
public class TaskAndValueTaskBenchmark
{
    private readonly WeatherService _weatherService;
    public TaskAndValueTaskBenchmark()
    {
        _weatherService = new();
    }
    
    [Benchmark]
    [Arguments("Denver")]
    public async Task<Weather> TaskBenchmark(string city)
    {
        return await _weatherService.GetWeatherTask(city);
    }

    [Benchmark]
    [Arguments("London")]
    public async ValueTask<Weather> ValueTaskBenchmark(string city)
    {
        return await _weatherService.GetWeatherValueTask(city);
    }
}

نتیجه به دست آمده به شرح زیر است :

مزیت  ValueTask<T>

به‌دلیل اینکه از نوع struct هستند، بر روی حافظه، در قسمت Stack ذخیره می‌شوند و به صورت خودکار بعد از اینکه نیازی به آنها نباشد، از حافظه حذف می‌شوند . به همین دلیل به شکل قابل توجهی، فشار را از روی GC کاهش می‌دهد .

 علاوه بر این، در سناریویی که اکثر کدها به صورت sync اجرا می‌شوند، در این مواقع استفاده از ValueTask، بهتر از Task می‌باشد .

این سری متد GetWeatherValueTask   را جهت تشخص اینکه  اغلب کدها به صورت sync یا async اجرا می‌شوند، بررسی می‌کنیم. در متد ذکر شده اگر اطلاعات شهر مورد نظر وجود داشته باشد، کار به صورت sync اجرا می‌شود و اگر شهر وجود نداشته باشد، کار به صورت async اجرا می‌شود. با بررسی دقیق‌تر متوجه می‌شویم اکثر مواقع در این متد کار به صورت sync  اجرا می‌شود؛ چرا که بعد ازدریافت اطلاعات، مجدد آن را دریافت نمیکند، بلکه از حافظه میخواند (همان _cache ) .

محدودیت‌های استفاده از    ValueTask<T>  

1. در اینجا تنها یکبار امکان استفاده از await وجود دارد. وقتی یکبار valueTask را await می‌کنیم، بهتر است کار دیگری بر روی آن انجام ندهیم؛ چراکه ممکن است از حافظه پاک شده باشد.

2. اگر در سناریویی لازم دارید چندین بار await را بر روی valueTask اجرا کنید، لازم است ابتدا آن را به Task تبدیل کنیم. برای این کار متد AsTask را فراخوانی میکنیم (بهتر است صرفا یکبار متد AsTask را فراخوانی کنیم).

3. نمیتوانیم به یک ValueTask به صورت هم زمان در حالت Multi threads دسترسی داشته باشیم.

4. به صورت پیش فرض خروجی عملیات async، نوع Task می‌باشد؛ مگر اینکه اغلب مراحل کار به صورت sync اجرا شود، مانند مثالی که بالاتر اشاره شد.

منابع :

• https://learn.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.threading.tasks.valuetask-1?view=net-7.0
• https://code-maze.com/csharp-task-and-valuetask  

کامنت‌های اضافی یا توضیح واضحات   

// Computes the employee salary  
public int CalculateSalary(int emplyeeId)  
{  
      return int.MaxValue;  
}

زمانیکه می‌توان از متغیر یا متد استفاده کرد 

// checks that an account is used or not and checks that an account has childs or not  
if (voucherLineRepository.Any(dd => dd.PostingAccountId == accountId)   
                || accountRepository.Any(dd => dd.ParentId == accountId]))  
{  
       return;  
}

if (UsedInVouchers(accountId) || HasChilds(accountId))  
{  
      return;  
}

if (!CanDeleteAccount(accountId)) {  
    return;  
}  
...
public bool CanDeleteAccount(int accountId)  
{  
    if (UsedInVouchers(accountId) || HasChilds(accountId))  
    {  
        return false;  
    }  
    return true;  
}

بهترین روش برای تولید و دستکاری یک رشته (string) طولانی و یا دستکاری متناوب و تکراری یک رشته استفاده از کلاس StringBuilder است. این کلاس در فضای نام System.Text قرار داره. شی String در دات‌نت‌فریمورک تغییرناپذیره (immutable)، بدین معنی که پس از ایجاد نمی‌توان محتوای اونو تغییر داد. برای مثال اگر شما بخواین محتوای یک رشته رو با اتصال به رشته‌ای دیگه تغییر بدین، اجازه اینکار را به شما داده نمی‌شه. درعوض به‌صورت خودکار رشته‌ای جدید در حافظه ایجاد میشه و محتوای دو رشته موجود پس از اتصال به هم درون اون قرار می‌گیره. این کار درصورتی‌که تعداد عملیات مشابه زیاد باشه می‌تونه تاثیر منفی بر کارایی و حافظه خالی در دسترس برنامه بگذاره.

کلاس StringBuilder با استفاده از آرایه‌ای از کاراکترها، راه‌حل مناسب و بهینه‌ای رو برای این مشکل فراهم کرده. این کلاس در زمان اجرا به شما اجازه می‌ده تا بدون ایجاد نمونه‌های جدید از کلاس String، محتوای یک رشته رو تغییر بدین. شما می‌تونید نمونه‌ای از این کلاس رو به‌صورت خالی و یا با یک رشته اولیه ایجاد کنید، سپس با استفاده از متدهای متنوع موجود، محتوای رشته رو با استفاده از انواع داده مختلف و به‌صورت دلخواه دستکاری کنید. هم‌چنین با استفاده از متد معروف  ()ToString این کلاس می‌تونید در هر لحظه دلخواه رشته تولیدی رو بدست بیارین. دو پراپرتی مهم کلاس StringBuilder رفتارش رو درهنگام افزودن داده‌های جدید کنترل می‌کنن:

Capacity , Length

پراپرتی Capacity اندازه بافر کلاس StringBuilder را تعیین می‌کنه و Length طول رشته جاری موجود در این بافر رو نمایش می‌ده. اگر پس از افزودن داده جدید، طول رشته از اندازه بافر موجود بیشتر بشه، StringBuilder باید یه بافر جدید با اندازه‌ای مناسب ایجاد کنه تا رشته جدید رو بتونه تو خودش نگه داره. اندازه این بافر جدید به‌صورت پیش‌فرض دو برابر اندازه بافر قبلی درنظر گرفته می‌شه. بعد تمام رشته قبلی رو تو این بافر جدید کپی میکنه.

از برنامه ساده زیر میتونین برای بررسی این مسئله استفاده کنین:

using System.IO;
using System.Text;

class Program
{
  static void Main()
  {
    using (var writer = new StreamWriter("data.txt"))
    {
      var builder = new StringBuilder();
      for (var i = 0; i <= 256; i++)
      {
        writer.Write(builder.Capacity);
        writer.Write(",");
        writer.Write(builder.Length);
        writer.WriteLine();
        builder.Append('1'); // <-- Add one character
      }
    }
  }
}

دقت کنین که برای افزودن یک کاراکتر استفاده از دستور Append با نوع داده char (همونطور که در بالا استفاده شده) بازدهی بهتری نسبت به استفاده از نوع داده string (با یک کاراکتر) داره. خروجی کد فوق به صورت زیره:

16, 0
16, 1
16, 2
...
16,14
16,15
16,16
32,17
...

استفاده نامناسب و بی‌دقت از این کلاس می‌تونه منجر به بازسازی‌های متناوب این بافر شده که درنهایت فواید کلاس StringBuilder رو تحت تاثیر قرار میده. درهنگام کار با کلاس StringBuilder اگر از طول رشته موردنظر و یا حد بالایی برای Capacity آن آگاهی حتی نسبی دارین، می‌تونید با مقداردهی مناسب این پراپرتی از این مشکل پرهیز کنید.

نکته: مقدار پیش‌فرض پراپرتی Capacity برابر 16 است.

هنگام مقداردهی پراپرتی‌های Capacity یا Length به موارد زیر توجه داشته باشید:

- مقداردهی Capacity به میزانی کمتر از طول رشته جاری (پراپرتی Length)، منجر به خطای زیر می‌شه:

System.ArgumentOutOfRangeException

خطای مشابهی هنگام مقداردهی پراپرتی Capacityبه بیش از مقدار پراپرتی MaxCapacity رخ می‌دهه.البته این مورد تنها درصورتی‌که بخواین اونو به بیش از حدود 2 گیگابایت (Int32.MaxValue) مقداردهی کنید پیش میاد!

- اگر پراپرتی Length را به مقداری کمتر از طول رشته جاری تنظیم کنید، رشته به اندازه طول تنظیمی کوتاه (truncate) میشه.

- اگر مقدار پراپرتی Length را به میزانی بیشتر از طول رشته جاری تنظیم کنید، فضای خالی موجود در بافر با space پر میشه.

- تنظیم مقدار Length بیشتر از Capacity، منجر به مقداردهی خودکار پراپرتی Capacity به مقدار جدید تنظیم شده برای Length میشه.

در ادامه به یک مثال برای مقایسه کارایی تولید یک رشته طولانی با استفاده از این کلاس میپردازیم. تو این مثال از دو روش برای تولید رشته‌های طولانی استفاده میشه. روش اول که همون روش اتصال رشته‌ها (Concat) به هم هستش و روش دوم هم که استفاده از کلاس StringBuilder است. در قطعه کد زیر کلاس مربوط به عملیات تست رو مشاهده میکنین:

namespace StringBuilderTest
{
  internal class SbTest1
  {
    internal Action<string> WriteLog;
    internal int Iterations { get; set; }
    internal string TestString { get; set; }

    internal SbTest1(int iterations, string testString, Action<string> writeLog)
    {
      Iterations = iterations;
      TestString = testString;
      WriteLog = writeLog;
    }

    internal void StartTest()
    {
      var watch = new Stopwatch();

      //StringBuilder
      watch.Start();
      var sbTestResult = SbTest();
      watch.Stop();
      WriteLog(string.Format("StringBuilder time: {0}", watch.ElapsedMilliseconds));

      //Concat
      watch.Start();
      var concatTestResult = ConcatTest();
      watch.Stop();
      WriteLog(string.Format("ConcatTest time: {0}", watch.ElapsedMilliseconds));

      WriteLog(string.Format("Results are{0} the same", sbTestResult == concatTestResult ? string.Empty : " NOT"));
    }

    private string SbTest()
    {
      var sb = new StringBuilder(TestString);
      for (var x = 0; x < Iterations; x++)
      {
        sb.Append(TestString);
      }
      return sb.ToString();
    }

    private string ConcatTest()
    {
      string concat = TestString;
      for (var x = 0; x < Iterations; x++)
      {
        concat += TestString;
      }
      return concat;
    }
  }
}

دو روش بحث‌شده در کلاس مورد استفاده قرار گرفته و مدت زمان اجرای هر کدوم از عملیات‌ها به خروجی فرستاده میشه. برای استفاده از این کلاس هم میشه از کد زیر در یک برنامه کنسول استفاده کرد:

do
{
  Console.Write("Iteration: ");
  var iterations = Convert.ToInt32(Console.ReadLine());
  Console.Write("Test String: ");
  var testString = Console.ReadLine();
  var test1 = new SbTest1(iterations, testString, Console.WriteLine);
  test1.StartTest();
  Console.WriteLine("----------------------------------------------------------------");
} while (Console.ReadKey(true).Key == ConsoleKey.C); // C = continue 

برای نمونه خروجی زیر در لپ‌تاپ من (Corei7 2630QM) بدست اومد:

تنظیم خاصیت Capacity به یک مقدار مناسب میتونه تو کارایی تاثیرات زیادی بگذاره. مثلا در مورد مثال فوق میشه یه متد دیگه برای آزمایش تاثیر این مقداردهی به صورت زیر به کلاس برناممون اضافه کنیم:

private string SbCapacityTest()
{
  var sb = new StringBuilder(TestString) { Capacity = TestString.Length * Iterations };
  for (var x = 0; x < Iterations; x++)
  {
    sb.Append(TestString);
  }
  return sb.ToString();
}

تو این متد قبل از ورود به حلقه مقدار خاصیت Capacity به میزان موردنظر تنظیم شده و نتیجه بدست اومده:

مشاهده میشه که روش concat خیلی کنده (دقت کنین که طول رشته اولیه هم بیشتر شده) و برای ادامه کار مقایسه اون رو کامنت کردم و نتایج زیر بدست اومد:

می‌بینین که استفاده مناسب از مقداردهی به خاصیت Capacity میتونه تا حدود 300 درصد سرعت برنامه ما رو افزایش بده. البته همیشه اینطوری نخواهد بود. ما در این مثال مقدار دقیق طول رشته نهایی رو میدونستیم که باعث میشه عملیات افزایش بافر کلاس StringBuilder هیچوقت اتفاق نیفته. این امر در واقعیت کمتر پیش میاد.

مقاله موجود در سایت dotnetperls شکل زیر رو به عنوان نتیجه تست بازدهی ارائه میده:

- در مواقعی که عملیاتی همچون مثال بالا طولانی و حجیم ندارین بهتره که از این کلاس استفاده نکنین چون عملیات‌های داخلی این کلاس در عملیات کوچک و سبک (مثل ابتدای نمودار فوق) موجب کندی عملیات میشه. همچنین استفاده از اون نیاز به کدنویسی بیشتری داره.

- این کلاس فشار کمتری به حافظه سیستم وارد میکنه. درمقابل استفاده از روش concat موجب اشغال بیش از حد حافظه میشه که خودش باعث اجرای بیشتر و متناوب‌تر GC میشه که در نهایت کارایی سیستم رو کاهش میده.

- استفاده از این کلاس برای عملیات Replace (و یا عملیات مشابه) در حلقه‌ها جهت کار با رشته‌های طولانی و یا تعداد زیادی رشته میتونه بسیار سریعتر و بهتر عمل کنه چون این کلاس برخلاف کلاس string اشیای جدید تولید نمیکنه.

- یه اشتباه بزرگ در استفاده از این کلاس استفاده از "+" برای اتصال رشته‌های درون StringBuilder هست. هرگز از این کارها نکنین. (فکر کنم واضحه که چرا)