如何在 C# 中重复字符串
当我用 C# 进行单元测试时，经常需要准备大量很长的字符串作为输入，这很费劲。 但是，在 JavaScript 或 Python 中做类似的事情很容易，例如这样:
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"test_string".repeat(5);
// output: test_stringtest_stringtest_stringtest_stringtest_string
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s = "test_string"
print(s * 5)
# output: test_stringtest_stringtest_stringtest_stringtest_string
print(s[5:] * 3)
# output: stringstringstring
不幸的是，C# 没有类似的函数 - 甚至 .NET 8 依然没有 - 所以我们只能自己写一个。 以下是一些如何在 C# 中重复字符串 n 次的几种方法。
文中所引用的源代码均托管在我的个人 GitHub 仓库里：
https://github.com/winkingzhang/dotnet-repeat-string
使用 StringBuilder
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public static string RepeatByStringBuilder(this string text, uint n)
{
return new StringBuilder(text.Length * (int)n)
.Insert(0, text, (int)n)
.ToString();
}
为此，我们实例化一个新 StringBuilder 对象，初始容量设置为输入字符串的长度乘以重复的次数 n。
然后我们使用 StringBuilder 的方法 Insert 将字符串从开头位置（索引 0）开始插入 n 次。
最后，我们使用 ToString 方法返回字符串。
这种方法效率尚可，胜在简单直接。
使用 Linq
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public static string RepeatByLinq(this string text, uint n)
{
return string.Concat(Enumerable.Repeat(text, (int)n));
}
这里我们使用 System.Linq 命名空间中的方法 Enumerable.Repeat 重复字符串 n 次，
然后使用该 string.Concat 方法将重复的字符串连接在一起。
这是重复字符串的一种非常直接的方法，但它并不是最有效的方法，因为它会创建一个 IEnumerable<string> 对象。
使用 Array
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public static string RepeatByArray(this string text, uint n)
{
var arr = new char[text.Length * (int)n];
for (var i = 0; i < n; i++)
{
text.CopyTo(0, arr, i * text.Length, text.Length);
}
return new string(arr);
}
现在事情变得有趣了，这里要使用 for 循环来重复字符串 n 次。
首先使用 char[] 数组存储重复的字符串，然后使用 CopyTo 方法将字符串复制到数组的指定位置处。
这是一种相对复杂的字符串重复的方法，但更有效率，尤其是当 n < 100 时。
但是，等等，既然它采用了更多的内存空间来加速性能，那以此类推我们可以通过 Array.Fill<T> 方法来改进它
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public static string RepeatByArrayFill(this string text, uint n)
{
var arr = new string[(int)n];
Array.Fill(arr, text);
return string.Concat(arr);
}
使用 Span
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// CSharp 7.2 above
public static string RepeatBySpan(this string text, uint n)
{
var textAsSpan = text.AsSpan();
var span = new Span<char>(new char[textAsSpan.Length * (int)n]);
for (var i = 0; i < n; i++)
{
textAsSpan.CopyTo(span.Slice((int)i * textAsSpan.Length, textAsSpan.Length));
}
return span.ToString();
}
Span 是 C# 7.2 中引入的一项新功能，允许将任意内存的连续区域表示为一等对象。
这在处理大量数据时非常有用，因为它可以更有效地使用内存以提高性能。
这里使用 Span<char> 来抽象字符串在内存中的存储形式，本质上是在处理堆栈上的连续内存，而不是字符串。这就是这种方法更高效的原因。
我们将原始字符串的内存片段复制到这个新的 Span<char> 的片段上。事实证明，这种方法非常高效，因为它不会在堆上分配内存。
性能比较
到此为止，我们有几种实现方式，让我们做一个基准测试，期望能找出最快的一种实现（目前测试在 Apple M2 MBP 和联想 Legion Y9000P 上进行）。
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BenchmarkDotNet v0.13.12, macOS Sonoma 14.5 (23F79) [Darwin 23.5.0]
Apple M2 Pro, 1 CPU, 12 logical and 12 physical cores
.NET SDK 8.0.302
[Host] : .NET 8.0.6 (8.0.624.26715), Arm64 RyuJIT AdvSIMD
DefaultJob : .NET 8.0.6 (8.0.624.26715), Arm64 RyuJIT AdvSIMD
| Method | Source | N | Mean | Error | StdDev | Gen0 | Gen1 | Gen2 | Allocated |
|------------------------ |-------------------- |----- |---------------:|--------------:|--------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | Hello World! | 1 | 22.586 ns | 0.4437 ns | 0.5611 ns | 0.0181 | - | - | 152 B |
| RepeatByLinq | Hello World! | 1 | 8.189 ns | 0.0644 ns | 0.0571 ns | 0.0048 | - | - | 40 B |
| RepeatByArray | Hello World! | 1 | 10.847 ns | 0.0673 ns | 0.0562 ns | 0.0124 | - | - | 104 B |
| RepeatByArrayFill | Hello World! | 1 | 9.420 ns | 0.0376 ns | 0.0294 ns | 0.0038 | - | - | 32 B |
| * RepeatBySpan | Hello World! | 1 | 10.844 ns | 0.0867 ns | 0.0677 ns | 0.0124 | - | - | 104 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |---------------:|--------------:|--------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | Hello World! | 10 | 61.587 ns | 0.8528 ns | 0.7121 ns | 0.0745 | - | - | 624 B |
| RepeatByLinq | Hello World! | 10 | 49.517 ns | 0.4064 ns | 0.3393 ns | 0.0391 | - | - | 328 B |
| RepeatByArray | Hello World! | 10 | 46.391 ns | 0.9445 ns | 0.8835 ns | 0.0688 | - | - | 576 B |
| RepeatByArrayFill | Hello World! | 10 | 58.089 ns | 0.2114 ns | 0.1650 ns | 0.0468 | - | - | 392 B |
| * RepeatBySpan | Hello World! | 10 | 45.400 ns | 0.8819 ns | 0.7818 ns | 0.0688 | - | - | 576 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |---------------:|--------------:|--------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | Hello World! | 100 | 481.105 ns | 3.8141 ns | 3.1850 ns | 0.6332 | 0.0010 | - | 5296 B |
| RepeatByLinq | Hello World! | 100 | 485.196 ns | 7.6006 ns | 7.1096 ns | 0.3176 | - | - | 2664 B |
| RepeatByArray | Hello World! | 100 | 389.557 ns | 7.6172 ns | 6.7525 ns | 0.6270 | - | - | 5248 B |
| RepeatByArrayFill | Hello World! | 100 | 516.305 ns | 5.8944 ns | 5.2253 ns | 0.4120 | - | - | 3448 B |
| * RepeatBySpan | Hello World! | 100 | 360.148 ns | 3.0571 ns | 2.7100 ns | 0.6270 | - | - | 5248 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |---------------:|--------------:|--------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | Hello World! | 1000 | 4,021.073 ns | 59.2613 ns | 49.4859 ns | 6.2103 | - | - | 52096 B |
| RepeatByLinq | Hello World! | 1000 | 4,314.573 ns | 65.3837 ns | 54.5984 ns | 3.1052 | - | - | 26064 B |
| RepeatByArray | Hello World! | 1000 | 3,375.894 ns | 14.0973 ns | 11.7719 ns | 6.1913 | - | - | 52048 B |
| RepeatByArrayFill | Hello World! | 1000 | 4,890.302 ns | 96.4937 ns | 94.7697 ns | 4.0588 | - | - | 34048 B |
| * RepeatBySpan | Hello World! | 1000 | 3,242.421 ns | 25.4595 ns | 22.5692 ns | 6.1913 | - | - | 52048 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |---------------:|--------------:|--------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | The (...)og. [900] | 1 | 171.625 ns | 3.0466 ns | 2.7007 ns | 0.4418 | 0.0019 | - | 3696 B |
| RepeatByLinq | The (...)og. [900] | 1 | 8.150 ns | 0.0921 ns | 0.0862 ns | 0.0048 | - | - | 40 B |
| RepeatByArray | The (...)og. [900] | 1 | 158.566 ns | 0.9380 ns | 0.7323 ns | 0.4361 | - | - | 3648 B |
| * RepeatByArrayFill | The (...)og. [900] | 1 | 9.446 ns | 0.1320 ns | 0.1102 ns | 0.0038 | - | - | 32 B |
| RepeatBySpan | The (...)og. [900] | 1 | 158.091 ns | 1.5203 ns | 1.2696 ns | 0.4361 | - | - | 3648 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |---------------:|--------------:|--------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | The (...)og. [900] | 10 | 1,343.146 ns | 26.3687 ns | 23.3752 ns | 4.3087 | 0.2689 | - | 36096 B |
| RepeatByLinq | The (...)og. [900] | 10 | 1,553.162 ns | 30.1964 ns | 44.2615 ns | 2.1534 | - | - | 18064 B |
| RepeatByArray | The (...)og. [900] | 10 | 1,344.261 ns | 8.6756 ns | 6.7733 ns | 4.3011 | - | - | 36048 B |
| * RepeatByArrayFill | The (...)og. [900] | 10 | 773.897 ns | 11.5882 ns | 10.2726 ns | 2.1591 | - | - | 18128 B |
| RepeatBySpan | The (...)og. [900] | 10 | 1,377.670 ns | 13.2442 ns | 12.3886 ns | 4.3011 | - | - | 36048 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |---------------:|--------------:|--------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | The (...)og. [900] | 100 | 40,207.800 ns | 557.9090 ns | 465.8792 ns | 333.5571 | 333.5571 | 95.2148 | 360159 B |
| RepeatByLinq | The (...)og. [900] | 100 | 35,458.880 ns | 324.1271 ns | 253.0571 ns | 143.3105 | 143.3105 | 53.5889 | 198812 B |
| RepeatByArray | The (...)og. [900] | 100 | 41,028.174 ns | 660.0815 ns | 834.7917 ns | 333.2520 | 333.2520 | 95.2148 | 360111 B |
| * RepeatByArrayFill | The (...)og. [900] | 100 | 29,060.898 ns | 475.4133 ns | 421.4415 ns | 260.6812 | 260.6812 | 43.4570 | 180877 B |
| RepeatBySpan | The (...)og. [900] | 100 | 40,898.484 ns | 773.1716 ns | 685.3965 ns | 333.7402 | 333.7402 | 95.0928 | 360111 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |---------------:|--------------:|--------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | The (...)og. [900] | 1000 | 308,376.300 ns | 3,170.6771 ns | 2,647.6590 ns | 669.4336 | 667.9688 | 665.5273 | 3603238 B |
| RepeatByLinq | The (...)og. [900] | 1000 | 267,982.010 ns | 5,272.7026 ns | 9,372.2235 ns | 511.2305 | 504.8828 | 500.4883 | 2861879 B |
| RepeatByArray | The (...)og. [900] | 1000 | 316,297.470 ns | 2,105.5426 ns | 1,643.8692 ns | 668.4570 | 667.9688 | 665.5273 | 3600480 B |
| * RepeatByArrayFill | The (...)og. [900] | 1000 | 202,907.132 ns | 3,826.7030 ns | 5,238.0342 ns | 572.5098 | 572.5098 | 214.3555 | 1808211 B |
| RepeatBySpan | The (...)og. [900] | 1000 | 317,738.614 ns | 5,167.9774 ns | 4,834.1292 ns | 668.4570 | 667.9688 | 665.5273 | 3600480 B |
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BenchmarkDotNet v0.13.12, Windows 11 (10.0.22631.3880/23H2/2023Update/SunValley3)
12th Gen Intel Core i7-12700H, 1 CPU, 20 logical and 14 physical cores
.NET SDK 8.0.303
[Host] : .NET 8.0.7 (8.0.724.31311), X64 RyuJIT AVX2
DefaultJob : .NET 8.0.7 (8.0.724.31311), X64 RyuJIT AVX2
| Method | Source | N | Mean | Error | StdDev | Gen0 | Gen1 | Gen2 | Allocated |
|------------------------ |-------------------- |----- |-----------------:|---------------:|---------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | Hello World! | 1 | 19.113 ns | 0.4035 ns | 0.4485 ns | 0.0121 | - | - | 152 B |
| RepeatByLinq | Hello World! | 1 | 6.164 ns | 0.1237 ns | 0.1157 ns | 0.0032 | - | - | 40 B |
| RepeatByArray | Hello World! | 1 | 10.534 ns | 0.1746 ns | 0.1633 ns | 0.0083 | - | - | 104 B |
| RepeatByArrayFill | Hello World! | 1 | 12.770 ns | 0.1091 ns | 0.1021 ns | 0.0025 | - | - | 32 B |
| * RepeatBySpan | Hello World! | 1 | 10.460 ns | 0.0960 ns | 0.0898 ns | 0.0083 | - | - | 104 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |-----------------:|---------------:|---------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | Hello World! | 10 | 59.964 ns | 0.3641 ns | 0.3228 ns | 0.0497 | - | - | 624 B |
| RepeatByLinq | Hello World! | 10 | 46.269 ns | 0.3449 ns | 0.3057 ns | 0.0261 | - | - | 328 B |
| RepeatByArray | Hello World! | 10 | 45.578 ns | 0.2459 ns | 0.1920 ns | 0.0459 | - | - | 576 B |
| RepeatByArrayFill | Hello World! | 10 | 57.397 ns | 0.4272 ns | 0.3335 ns | 0.0312 | - | - | 392 B |
| * RepeatBySpan | Hello World! | 10 | 44.148 ns | 0.6019 ns | 0.5335 ns | 0.0459 | - | - | 576 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |-----------------:|---------------:|---------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | Hello World! | 100 | 426.229 ns | 7.6544 ns | 11.2197 ns | 0.4215 | 0.0038 | - | 5296 B |
| RepeatByLinq | Hello World! | 100 | 432.568 ns | 1.1930 ns | 1.0576 ns | 0.2122 | - | - | 2664 B |
| RepeatByArray | Hello World! | 100 | 373.965 ns | 6.4629 ns | 5.3968 ns | 0.4182 | - | - | 5248 B |
| RepeatByArrayFill | Hello World! | 100 | 479.134 ns | 3.8107 ns | 2.9751 ns | 0.2747 | - | - | 3448 B |
| * RepeatBySpan | Hello World! | 100 | 345.615 ns | 4.2018 ns | 3.9304 ns | 0.4182 | 0.0038 | - | 5248 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |-----------------:|---------------:|---------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | Hello World! | 1000 | 3,869.509 ns | 70.9931 ns | 66.4070 ns | 4.1428 | - | - | 52096 B |
| RepeatByLinq | Hello World! | 1000 | 4,370.279 ns | 86.2628 ns | 99.3403 ns | 2.0676 | - | - | 26064 B |
| RepeatByArray | Hello World! | 1000 | 3,447.800 ns | 67.0250 ns | 62.6952 ns | 4.1313 | 0.3738 | - | 52048 B |
| RepeatByArrayFill | Hello World! | 1000 | 4,553.790 ns | 32.4700 ns | 30.3724 ns | 2.7084 | - | - | 34048 B |
| * RepeatBySpan | Hello World! | 1000 | 3,322.508 ns | 22.3966 ns | 20.9498 ns | 4.1313 | 0.3738 | - | 52048 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |-----------------:|---------------:|---------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | The (...)og. [900] | 1 | 195.531 ns | 3.6825 ns | 3.0751 ns | 0.2944 | 0.0010 | - | 3696 B |
| RepeatByLinq | The (...)og. [900] | 1 | 6.106 ns | 0.1164 ns | 0.1089 ns | 0.0032 | - | - | 40 B |
| RepeatByArray | The (...)og. [900] | 1 | 184.165 ns | 1.0751 ns | 1.0057 ns | 0.2906 | 0.0010 | - | 3648 B |
| * RepeatByArrayFill | The (...)og. [900] | 1 | 12.569 ns | 0.1770 ns | 0.1478 ns | 0.0025 | - | - | 32 B |
| RepeatBySpan | The (...)og. [900] | 1 | 187.762 ns | 2.3320 ns | 2.1814 ns | 0.2906 | 0.0010 | - | 3648 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |-----------------:|---------------:|---------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | The (...)og. [900] | 10 | 1,364.000 ns | 13.3304 ns | 12.4693 ns | 2.8725 | - | - | 36096 B |
| RepeatByLinq | The (...)og. [900] | 10 | 1,567.080 ns | 19.6918 ns | 15.3741 ns | 1.4381 | - | - | 18064 B |
| RepeatByArray | The (...)og. [900] | 10 | 1,405.505 ns | 13.6193 ns | 12.7395 ns | 2.8648 | 0.1907 | - | 36048 B |
| * RepeatByArrayFill | The (...)og. [900] | 10 | 748.462 ns | 11.4568 ns | 9.5670 ns | 1.4400 | - | - | 18128 B |
| RepeatBySpan | The (...)og. [900] | 10 | 1,418.811 ns | 12.4327 ns | 11.0213 ns | 2.8648 | 0.1907 | - | 36048 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |-----------------:|---------------:|---------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | The (...)og. [900] | 100 | 111,793.479 ns | 2,168.6215 ns | 2,581.5896 ns | 111.0840 | 111.0840 | 111.0840 | 360133 B |
| RepeatByLinq | The (...)og. [900] | 100 | 64,249.943 ns | 1,273.1289 ns | 1,466.1371 ns | 55.5420 | 55.5420 | 55.5420 | 180083 B |
| RepeatByArray | The (...)og. [900] | 100 | 111,735.743 ns | 1,928.2633 ns | 1,803.6987 ns | 111.0840 | 111.0840 | 111.0840 | 360085 B |
| * RepeatByArrayFill | The (...)og. [900] | 100 | 55,911.211 ns | 1,080.2581 ns | 1,244.0268 ns | 55.5420 | 55.5420 | 55.5420 | 180867 B |
| RepeatBySpan | The (...)og. [900] | 100 | 113,400.479 ns | 1,778.2817 ns | 1,576.4004 ns | 111.0840 | 111.0840 | 111.0840 | 360085 B |
|------------------------ |-------------------- |----- |-----------------:|---------------:|---------------:|---------:|---------:|---------:|----------:|
| RepeatByStringBuilder | The (...)og. [900] | 1000 | 1,016,601.237 ns | 8,227.9402 ns | 7,696.4204 ns | 998.0469 | 998.0469 | 998.0469 | 3600432 B |
| RepeatByLinq | The (...)og. [900] | 1000 | 380,526.263 ns | 5,745.3800 ns | 5,374.2321 ns | 276.3672 | 276.3672 | 276.3672 | 1800198 B |
| RepeatByArray | The (...)og. [900] | 1000 | 1,027,307.370 ns | 11,481.7296 ns | 10,740.0170 ns | 998.0469 | 998.0469 | 998.0469 | 3600384 B |
| * RepeatByArrayFill | The (...)og. [900] | 1000 | 557,133.607 ns | 4,842.4693 ns | 4,529.6488 ns | 499.0234 | 499.0234 | 499.0234 | 1808216 B |
| RepeatBySpan | The (...)og. [900] | 1000 | 1,037,758.529 ns | 15,399.8181 ns | 14,404.9994 ns | 998.0469 | 998.0469 | 998.0469 | 3600384 B |
总结
根据上面的基准报告，很容易总结
RepeatBySpan对于短字符串重复是效率相对最高的。RepeatByArrayFill对于长字符串重复是效率相对最高的。
