前言
最近项目有个需求,需要比较两个任意大小文件的内容是否相同,要求如下:
- 项目是.NET CORE,所以使用C#进行编写比较方法
- 文件大小任意,所以不能将文件内容全部读入到内存中进行比较(更专业点说,需要使用非缓存的比较方式)
- 不依赖第三方库
- 越快越好
为了选出最优的解决方案,我搭建了一个简单的命令行工程,准备了两个大小为912MB的文件,并且这两个文件内容完全相同.在本文的最后,你可以看到该工程的Main方法的代码.
下面我们开始尝试各个比较方法,选出最优的解决方案:
比较两个文件是否完全相同,首先想到的是用哈希算法(如MD5,SHA)算出两个文件的哈希值,然后进行比较.
废话少说,撸起袖子写一个MD5比较方法:
/// <summary>
/// MD5
/// </summary>
/// <param name="file1"></param>
/// <param name="file2"></param>
/// <returns></returns>
private static bool CompareByMD5(string file1, string file2)
{
// 使用.NET内置的MD5库
using (var md5 = MD5.Create())
{
byte[] one, two;
using (var fs1 = File.Open(file1, FileMode.Open))
{
// 以FileStream读取文件内容,计算HASH值
one = md5.ComputeHash(fs1);
}
using (var fs2 = File.Open(file2, FileMode.Open))
{
// 以FileStream读取文件内容,计算HASH值
two = md5.ComputeHash(fs2);
}
// 将MD5结果(字节数组)转换成字符串进行比较
return BitConverter.ToString(one) == BitConverter.ToString(two);
}
}
比较结果:
Method: CompareByMD5, Identical: True. Elapsed: 00:00:05.7933178
耗时5.79秒,感觉还不错.然而,这是最佳的解决方案吗?
其实我们仔细想一下,答案应该是否定的.
因为任何哈希算法本质上都是对字节进行一定的计算,而计算过程是要消耗时间的.
很多下载网站上提供了下载文件的哈希值,那是因为下载的源文件本身不会改变,只需要计算一次源文件的哈希值,提供给用户验证即可.
而我们的需求中,两个文件都是不固定的,那么每次都要计算两个文件的哈希值,就不太合适了.
所以,哈希比较这个方案被PASS.
这种求算法最优解的问题,我以往的经验是: 去stackoverflow查找 :)
经过我的艰苦努力,找到了一个非常切题的答案: How to compare 2 files fast using .NET?
得赞最多一个答案,将代码改造了一下放入工程中:
/// <summary>
/// https://stackoverflow.com/a/1359947
/// </summary>
/// <param name="file1"></param>
/// <param name="file2"></param>
/// <returns></returns>
private static bool CompareByToInt64(string file1, string file2)
{
const int BYTES_TO_READ = sizeof(Int64); // 每次读取8个字节
int iterations = (int)Math.Ceiling((double)new FileInfo(file1).Length / BYTES_TO_READ); // 计算读取次数
using (FileStream fs1 = File.Open(file1, FileMode.Open))
using (FileStream fs2 = File.Open(file2, FileMode.Open))
{
byte[] one = new byte[BYTES_TO_READ];
byte[] two = new byte[BYTES_TO_READ];
for (int i = 0; i < iterations; i++)
{
// 循环读取到字节数组中
fs1.Read(one, 0, BYTES_TO_READ);
fs2.Read(two, 0, BYTES_TO_READ);
// 转换为Int64进行数值比较
if (BitConverter.ToInt64(one, 0) != BitConverter.ToInt64(two, 0))
return false;
}
}
return true;
}
该方法基本的原理是循环读取两个文件,每次读取8个字节,转换为Int64,再进行数值比较.那么效率如何呢?
Method: CompareByToInt64, Identical: True. Elapsed: 00:00:08.0918099
什么?8秒!竟然比MD5还慢?这不是SO得赞最多的答案吗,怎么会这样?
其实分析一下不难想到原因,因为每次只读取8个字节,程序频繁的进行IO操作,导致性能低下.看来SO上的答案也不能迷信啊!
那么优化的方向就变为了如何减少IO操作带来的损耗.
既然每次8个字节太少了,我们定义一个大一些的字节数组,比如1024个字节.每次读取1024个字节到数组中,然后进行字节数组的比较.
但是这样又带来一个新问题,就是如何快速比较两个字节数组是否相同?
我首先想到的是在MD5方法中用过的----将字节数组转换成字符串进行比较:
/// <summary>
/// 读入到字节数组中比较(转为String比较)
/// </summary>
/// <param name="file1"></param>
/// <param name="file2"></param>
/// <returns></returns>
private static bool CompareByString(string file1, string file2)
{
const int BYTES_TO_READ = 1024 * 10;
using (FileStream fs1 = File.Open(file1, FileMode.Open))
using (FileStream fs2 = File.Open(file2, FileMode.Open))
{
byte[] one = new byte[BYTES_TO_READ];
byte[] two = new byte[BYTES_TO_READ];
while (true)
{
int len1 = fs1.Read(one, 0, BYTES_TO_READ);
int len2 = fs2.Read(two, 0, BYTES_TO_READ);
if (BitConverter.ToString(one) != BitConverter.ToString(two)) return false;
if (len1 == 0 || len2 == 0) break; // 两个文件都读取到了末尾,退出while循环
}
}
return true;
}
结果:
Method: CompareByString, Identical: True. Elapsed: 00:00:07.8088732
耗时也接近8秒,比上一个方法强不了多少.
分析一下原因,在每次循环中,字符串的转换是一个非常耗时的操作.那么有没有不进行类型转换的字节数组比较方法呢?
我想到了LINQ中有一个比较序列的方法SequenceEqual,我们尝试使用该方法比较:
/// <summary>
/// 读入到字节数组中比较(使用LINQ的SequenceEqual比较)
/// </summary>
/// <param name="file1"></param>
/// <param name="file2"></param>
/// <returns></returns>
private static bool CompareBySequenceEqual(string file1, string file2)
{
const int BYTES_TO_READ = 1024 * 10;
using (FileStream fs1 = File.Open(file1, FileMode.Open))
using (FileStream fs2 = File.Open(file2, FileMode.Open))
{
byte[] one = new byte[BYTES_TO_READ];
byte[] two = new byte[BYTES_TO_READ];
while (true)
{
int len1 = fs1.Read(one, 0, BYTES_TO_READ);
int len2 = fs2.Read(two, 0, BYTES_TO_READ);
if (!one.SequenceEqual(two)) return false;
if (len1 == 0 || len2 == 0) break; // 两个文件都读取到了末尾,退出while循环
}
}
return true;
}
结果:
Method: CompareBySequenceEqual, Identical: True. Elapsed: 00:00:08.2174360
竟然比前两个都要慢(实际这也是所有方案中最慢的一个),LINQ的SequenceEqual看来不是为了效率而生.
那么我们不用那些花哨的功能,回归质朴,老实儿的使用while循环比较字节数组怎么样呢?
/// <summary>
/// 读入到字节数组中比较(while循环比较字节数组)
/// </summary>
/// <param name="file1"></param>
/// <param name="file2"></param>
/// <returns></returns>
private static bool CompareByByteArry(string file1, string file2)
{
const int BYTES_TO_READ = 1024 * 10;
using (FileStream fs1 = File.Open(file1, FileMode.Open))
using (FileStream fs2 = File.Open(file2, FileMode.Open))
{
byte[] one = new byte[BYTES_TO_READ];
byte[] two = new byte[BYTES_TO_READ];
while (true)
{
int len1 = fs1.Read(one, 0, BYTES_TO_READ);
int len2 = fs2.Read(two, 0, BYTES_TO_READ);
int index = 0;
while (index < len1 && index < len2)
{
if (one[index] != two[index]) return false;
index++;
}
if (len1 == 0 || len2 == 0) break;
}
}
return true;
}
结果是....
Method: CompareByByteArry, Identical: True. Elapsed: 00:00:01.5356821
1.53秒!大突破!看来有时候看起来笨拙的方法反而效果更好!
试验到此,比较两个900多MB的文件耗时1.5秒左右,读者对于该方法是否满意呢?
No!我不满意!我相信通过努力,一定会找到更快的方法的!
同样.NET CORE也在为了编写高性能代码而不断的优化中.
那么,我们如何继续优化我们的代码呢?
我突然想到在C# 7.2中加入的一个新的值类型: Span<T>,它用来代表一段连续的内存区域,并提供一系列可操作该区域的方法.
对于我们的需求,因为我们不会更改数组的值,所以可以使用另外一个只读的类型ReadOnlySpan<T>追求更高的效率.
修改代码,使用ReadOnlySpan<T>:
/// <summary>
/// 读入到字节数组中比较(ReadOnlySpan)
/// </summary>
/// <param name="file1"></param>
/// <param name="file2"></param>
/// <returns></returns>
private static bool CompareByReadOnlySpan(string file1, string file2)
{
const int BYTES_TO_READ = 1024 * 10;
using (FileStream fs1 = File.Open(file1, FileMode.Open))
using (FileStream fs2 = File.Open(file2, FileMode.Open))
{
byte[] one = new byte[BYTES_TO_READ];
byte[] two = new byte[BYTES_TO_READ];
while (true)
{
int len1 = fs1.Read(one, 0, BYTES_TO_READ);
int len2 = fs2.Read(two, 0, BYTES_TO_READ);
// 字节数组可直接转换为ReadOnlySpan
if (!((ReadOnlySpan<byte>)one).SequenceEqual((ReadOnlySpan<byte>)two)) return false;
if (len1 == 0 || len2 == 0) break; // 两个文件都读取到了末尾,退出while循环
}
}
return true;
}
核心是用来比较的SequenceEqual方法,该方法是ReadOnlySpan的一个扩展方法,要注意它只是方法名与LINQ中一样,实现完全不同.
那么该方法的表现如何呢?
Method: CompareByReadOnlySpan, Identical: True. Elapsed: 00:00:00.9287703
不 到 一 秒!
相对上一个已经不错的结果,速度提高了差不多40%!
对此结果,我个人觉得已经很满意了,如果各位有更快的方法,请不吝赐教,我非常欢迎!
关于Span<T>结构类型,各位读者如有兴趣,可浏览该文章,该文有非常详细的介绍.
后记
文中的代码只是出于实验性质,实际应用中仍可以继续细节上的优化, 如:
- 如两个文件大小不同,直接返回false
- 如果两个文件路径相同,直接返回true
- ...
试验工程的Main方法源码:
static void Main(string[] args)
{
string file1 = @"C:\Users\WAKU\Desktop\file1.ISO";
string file2 = @"C:\Users\WAKU\Desktop\file2.ISO";
var methods = new Func<string, string, bool>[] { CompareByMD5, CompareByToInt64, CompareByByteArry, CompareByReadOnlySpan };
foreach (var method in methods)
{
var sw = Stopwatch.StartNew();
bool identical = method(file1, file2);
Console.WriteLine("Method: {0}, Identical: {1}. Elapsed: {2}", method.Method.Name, identical, sw.Elapsed);
}
}
总结
以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，谢谢大家对的支持。
