将byte[]转换为十六进制字符串-基准测试/性能分析

更新日期：2022-04-17

从.NET 5开始，您应该使用Convert.ToHexString（bytes[]）！

using System;
string result = Convert.ToHexString(bytesToConvert);

关于此排行榜和基准

Thymine的比较似乎过时且不完整，尤其是在.NET 5及其Convert.ToHexString之后，所以我决定~~从字节到十六进制字符串的兔子洞~~创建一个新的、更新的比较，其中包含这两个问题的答案中的更多方法。

我使用的是BencharkDotNet，而不是定制的基准测试脚本，这有望使结果更准确。请记住，微观基准测试永远不能代表实际情况，您应该进行测试。

我在AMD Ryzen 5800H的Linux上运行了这些基准测试，内核为5.15.32，内存为2x8 GB DDR4@2133 MHz。请注意，完成整个基准测试可能需要很多时间——在我的机器上大约需要40分钟。

大写输出与小写输出

所有提到的方法（除非另有说明）都只关注UPPERCASE输出。这意味着输出将看起来像B33F69，而不是B33F69。

Convert.ToHexString的输出始终为大写。不过，值得庆幸的是，与ToLower（）配合使用时，性能并没有显著下降，尽管这两种不安全的方法都会更快。

在某些方法中（尤其是具有位运算符魔力的方法），有效地将字符串小写可能是一个挑战，但在大多数情况下，将参数X2更改为X2或将映射中的字母从大写更改为小写就足够了。

排行榜

按平均值N=100排序。参考点是StringBuilderForEachByte方法。

结论

ConvertToHexString方法无疑是目前最快的方法，在我看来，如果您有选择的话，应该始终使用它-它既快速又干净。

using System;

string result = Convert.ToHexString(bytesToConvert);

如果没有，我决定在下面强调另外两种我认为值得使用的方法。我决定不强调不安全的方法，因为这样的代码可能不仅是不安全的，而且我合作过的大多数项目都不允许这样的代码。

值得一提

第一个是LookupPerByteSpan。从这个答案中可以看出，该代码与LookupPerBytebyCodesInChaos中的代码几乎相同。这是最快且不安全的基准方法。原始版本和本版本之间的区别在于，对更短的输入使用堆栈分配（最多512字节）。这使得该方法在这些输入上快10%左右，但在较大的输入上慢5%左右。由于我使用的大多数数据都比大数据短，所以我选择了这个。LookupSpanPerByteSpan也非常快，但与所有其他方法相比，其ReadOnlySpan<byte>映射的代码大小太大。

private static readonly uint[] Lookup32 = Enumerable.Range(0, 256).Select(i =>
{
    string s = i.ToString("X2");
    return s[0] + ((uint)s[1] << 16);
}).ToArray();

public string ToHexString(byte[] bytes)
{
    var result = bytes.Length * 2 <= 1024
        ? stackalloc char[bytes.Length * 2]
        : new char[bytes.Length * 2];

    for (int i = 0; i < bytes.Length; i++)
    {
        var val = Lookup32[bytes[i]];
        result[2 * i] = (char)val;
        result[2 * i + 1] = (char)(val >> 16);
    }

    return new string(result);
}

第二个是LookupAndShiftAlphabetSpanMultiply。首先，我想提一下，这是我的创作。然而，我相信这种方法不仅速度很快，而且很容易理解。速度来自于C#7.3中发生的变化，其中声明的ReadOnlyPan＜byte＞方法返回常量数组初始化-新字节｛1，2，3，…｝-被编译为程序的静态数据，因此省略了冗余内存。[来源]

private static ReadOnlySpan<byte> HexAlphabetSpan => new[]
{
    (byte)'0', (byte)'1', (byte)'2', (byte)'3',
    (byte)'4', (byte)'5', (byte)'6', (byte)'7',
    (byte)'8', (byte)'9', (byte)'A', (byte)'B',
    (byte)'C', (byte)'D', (byte)'E', (byte)'F'
};

public static string ToHexString(byte[] bytes)
{
    var res = bytes.Length * 2 <= 1024 ? stackalloc char[bytes.Length * 2] : new char[bytes.Length * 2];

    for (var i = 0; i < bytes.Length; ++i)
    {
        var j = i * 2;
        res[j] = (char)HexAlphabetSpan[bytes[i] >> 4];
        res[j + 1] = (char)HexAlphabetSpan[bytes[i] & 0xF];
    }

    return new string(res);
}

源代码

所有方法的源代码、基准和这个答案都可以在GitHub上的Gist中找到。

还有XmlWriter.WriteBinHex（请参见MSDN页面）。如果需要将十六进制字符串放入XML流中，这非常有用。

下面是一个独立的方法来了解它的工作原理：

    public static string ToBinHex(byte[] bytes)
    {
        XmlWriterSettings xmlWriterSettings = new XmlWriterSettings();
        xmlWriterSettings.ConformanceLevel = ConformanceLevel.Fragment;
        xmlWriterSettings.CheckCharacters = false;
        xmlWriterSettings.Encoding = ASCIIEncoding.ASCII;
        MemoryStream memoryStream = new MemoryStream();
        using (XmlWriter xmlWriter = XmlWriter.Create(memoryStream, xmlWriterSettings))
        {
            xmlWriter.WriteBinHex(bytes, 0, bytes.Length);
        }
        return Encoding.ASCII.GetString(memoryStream.ToArray());
    }

另一种基于查找表的方法。该方法只为每个字节使用一个查找表，而不是为每个半字节使用查找表。

private static readonly uint[] _lookup32 = CreateLookup32();

private static uint[] CreateLookup32()
{
    var result = new uint[256];
    for (int i = 0; i < 256; i++)
    {
        string s=i.ToString("X2");
        result[i] = ((uint)s[0]) + ((uint)s[1] << 16);
    }
    return result;
}

private static string ByteArrayToHexViaLookup32(byte[] bytes)
{
    var lookup32 = _lookup32;
    var result = new char[bytes.Length * 2];
    for (int i = 0; i < bytes.Length; i++)
    {
        var val = lookup32[bytes[i]];
        result[2*i] = (char)val;
        result[2*i + 1] = (char) (val >> 16);
    }
    return new string(result);
}

我还使用查找表中的ushort、struct｛char X1，X2｝、struct{byte X1，X2}测试了这个变体。

根据编译目标（x86、X64）的不同，它们要么具有大致相同的性能，要么稍慢于此变体。

为了获得更高的性能，其不安全的兄弟：

private static readonly uint[] _lookup32Unsafe = CreateLookup32Unsafe();
private static readonly uint* _lookup32UnsafeP = (uint*)GCHandle.Alloc(_lookup32Unsafe,GCHandleType.Pinned).AddrOfPinnedObject();

private static uint[] CreateLookup32Unsafe()
{
    var result = new uint[256];
    for (int i = 0; i < 256; i++)
    {
        string s=i.ToString("X2");
        if(BitConverter.IsLittleEndian)
            result[i] = ((uint)s[0]) + ((uint)s[1] << 16);
        else
            result[i] = ((uint)s[1]) + ((uint)s[0] << 16);
    }
    return result;
}

public static string ByteArrayToHexViaLookup32Unsafe(byte[] bytes)
{
    var lookupP = _lookup32UnsafeP;
    var result = new char[bytes.Length * 2];
    fixed(byte* bytesP = bytes)
    fixed (char* resultP = result)
    {
        uint* resultP2 = (uint*)resultP;
        for (int i = 0; i < bytes.Length; i++)
        {
            resultP2[i] = lookupP[bytesP[i]];
        }
    }
    return new string(result);
}

或者如果您认为可以直接写入字符串：

public static string ByteArrayToHexViaLookup32UnsafeDirect(byte[] bytes)
{
    var lookupP = _lookup32UnsafeP;
    var result = new string((char)0, bytes.Length * 2);
    fixed (byte* bytesP = bytes)
    fixed (char* resultP = result)
    {
        uint* resultP2 = (uint*)resultP;
        for (int i = 0; i < bytes.Length; i++)
        {
            resultP2[i] = lookupP[bytesP[i]];
        }
    }
    return result;
}

我今天遇到了同样的问题，我遇到了以下代码：

private static string ByteArrayToHex(byte[] barray)
{
    char[] c = new char[barray.Length * 2];
    byte b;
    for (int i = 0; i < barray.Length; ++i)
    {
        b = ((byte)(barray[i] >> 4));
        c[i * 2] = (char)(b > 9 ? b + 0x37 : b + 0x30);
        b = ((byte)(barray[i] & 0xF));
        c[i * 2 + 1] = (char)(b > 9 ? b + 0x37 : b + 0x30);
    }
    return new string(c);
}

来源：论坛帖子byte[]数组到十六进制字符串（见PZahra的帖子）。我稍微修改了一下代码，删除了0x前缀。

我对代码进行了一些性能测试，它几乎比使用BitConverter.ToString（）快八倍（根据patridge的帖子，速度最快）。

static string ByteArrayToHexViaLookupPerByte2(byte[] bytes)
{                
        var result3 = new uint[bytes.Length];
        for (int i = 0; i < bytes.Length; i++)
                result3[i] = _Lookup32[bytes[i]];
        var handle = GCHandle.Alloc(result3, GCHandleType.Pinned);
        try
        {
                var result = Marshal.PtrToStringUni(handle.AddrOfPinnedObject(), bytes.Length * 2);
                return result;
        }
        finally
        {
                handle.Free();
        }
}

在我的测试中，这个函数总是不安全实现之后的第二个条目。

不幸的是，测试台不太可靠。。。如果你多次运行它，列表会被打乱，以至于谁知道在不安全之后哪个才是最快的！它没有考虑预热、jit编译时间和GC性能影响。我很想重写它以获得更多信息，但我真的没有时间。

另一种方法是使用stackaloc来降低GC内存压力：

static string ByteToHexBitFiddle(byte[] bytes)
{
        var c = stackalloc char[bytes.Length * 2 + 1];
        int b; 
        for (int i = 0; i < bytes.Length; ++i)
        {
            b = bytes[i] >> 4;
            c[i * 2] = (char)(55 + b + (((b - 10) >> 31) & -7));
            b = bytes[i] & 0xF;
            c[i * 2 + 1] = (char)(55 + b + (((b - 10) >> 31) & -7));
        }
        c[bytes.Length * 2 ] = '\0';
        return new string(c);
}