C#中對字串進行壓縮和解壓的實現

2022-08-02 14:05:53

利用GZip和Brotli壓縮方法的優勢，減少字串資料的大小，提高.NET核心應用程式的效能。
在Visual Studio 2022中建立一個控制檯應用程式專案
安裝BenchmarkDotNet NuGet包
C#中的System.IO.Compression名稱空間
在C#中使用GZip對資料進行壓縮和解壓
執行GZip壓縮演演算法
在C#中使用Brotli對資料進行壓縮和解壓
執行Brotli壓縮演演算法
用GZip和Brotli進行非同步壓縮和解壓
在C#中用GZip和Brotli進行壓縮和解壓的基準測試

利用GZip和Brotli壓縮方法的優勢，減少字串資料的大小，提高.NET核心應用程式的效能。

在開發應用程式時，你經常需要處理字串。由於字串物件在效能方面的成本很高，你經常想壓縮你的字串內容，即字串物件中的資料，以減少有效載荷。有幾個庫可以做到這一點，但兩個流行的技術是GZip和Brotli。

在這篇文章中，我們將討論如何在C#中使用GZip和Brotli演演算法對字串進行壓縮和解壓。要使用這裡提供的程式碼範例，你的系統中應該安裝有Visual Studio 2022。如果你還沒有副本，你可以在這裡下載Visual Studio 2022。

在Visual Studio 2022中建立一個控制檯應用程式專案

首先，讓我們在Visual Studio中建立一個.NET Core控制檯應用程式專案。假設你的系統中已經安裝了Visual Studio 2022，按照下面的步驟建立一個新的.NET Core控制檯應用程式專案:

啟動Visual Studio IDE。
點選 "建立一個新專案"。
在 "建立一個新專案 "視窗中，從顯示的模板列表中選擇 "控制檯應用程式"。
點選 "下一步"。
在接下來顯示的 "設定你的新專案 "視窗中，指定新專案的名稱和位置。
在 "其他資訊 "視窗中，選擇.NET 6.0作為執行時間，然後點選下一步。
點選 "建立"。

我們將使用這個專案來說明下面的字串壓縮和解壓縮。但首先我們要安裝一個基準測試包BenchmarkDotNet，它將使我們能夠衡量我們從壓縮中獲得的好處。

安裝BenchmarkDotNet NuGet包

基準測試程式碼對於瞭解你的應用程式的效能至關重要。在這篇文章中，我們將利用BenchmarkDotNet來跟蹤方法的效能。

要使用BenchmarkDotNet，你必須安裝BenchmarkDotNet軟體包。你可以通過Visual Studio 2022裡面的NuGet軟體包管理器，或者在NuGet軟體包管理器控制檯執行以下命令來完成。

Install-Package BenchmarkDotNet

C#中的System.IO.Compression名稱空間

System.IO.Compression名稱空間包括壓縮檔案和字串的方法。它包含兩種壓縮演演算法。GZip 和 Brotli。在接下來的章節中，我們將研究如何在C#中使用GZip和Brotli壓縮演演算法對字串資料進行壓縮和解壓。

我們將在下面的例子中使用以下文字。

string originalString = "To work with BenchmarkDotNet you must install the BenchmarkDotNet package. " +
"You can do this either via the NuGet Package Manager inside the Visual Studio 2019 IDE, " +
"or by executing the Install-Package BenchmarkDotNet command at the NuGet Package Manager Console";

在C#中使用GZip對資料進行壓縮和解壓

下面的程式碼片斷顯示瞭如何在C#中使用GZipStream類來壓縮資料。注意，壓縮方法的引數是一個位元組陣列:

public static byte[] Compress(byte[] bytes)
        {
            using (var memoryStream = new MemoryStream())
            {
                using (var gzipStream = new GZipStream(memoryStream, CompressionLevel.Optimal))
                {
                    gzipStream.Write(bytes, 0, bytes.Length);
                }
                return memoryStream.ToArray();
            }
        }

要解壓使用GZip演演算法壓縮過的資料，我們可以使用以下方法:

public static byte[] Decompress(byte[] bytes)
        {
            using (var memoryStream = new MemoryStream(bytes))
            {

                using (var outputStream = new MemoryStream())
                {
                    using (var decompressStream = new GZipStream(memoryStream, CompressionMode.Decompress))
                    {
                        decompressStream.CopyTo(outputStream);
                    }
                    return outputStream.ToArray();
                }
            }
        }

執行GZip壓縮演演算法

你可以使用下面的程式碼片斷來執行我們剛剛建立的GZip壓縮方法:

byte[] dataToCompress = Encoding.UTF8.GetBytes(originalString);
byte[] compressedData = GZipCompressor.Compress(dataToCompress);
string compressedString = Encoding.UTF8.GetString(compressedData);
Console.WriteLine("Length of compressed string: " + compressedString.Length);
byte[] decompressedData = GZipCompressor.Decompress(compressedData);
string deCompressedString = Encoding.UTF8.GetString(decompressedData);
Console.WriteLine("Length of decompressed string: " + deCompressedString.Length);

當你執行上述程式碼時，你會在控制檯視窗看到以下輸出:

圖1.GZip將原來259個字元的字串壓縮成167個字元。

請注意，GZip從原始的259個字元的字串中修剪了92個字元。因為原始字串和解壓後的字串應該是相同的，它們的長度也應該是相同的。

在C#中使用Brotli對資料進行壓縮和解壓

下面的程式碼片斷說明了如何在C#中使用BrotliStream類來壓縮資料。與上面的GZip例子一樣，注意壓縮方法的引數是一個位元組陣列:

public static byte[] Compress(byte[] bytes)
        {
            using (var memoryStream = new MemoryStream())
            {
                using (var brotliStream = new BrotliStream(memoryStream, CompressionLevel.Optimal))
                {
                    brotliStream.Write(bytes, 0, bytes.Length);
                }
                return memoryStream.ToArray();
            }
        }

而這裡是你如何使用BrotliStream來解壓資料的:

public static byte[] Decompress(byte[] bytes)
        {
            using (var memoryStream = new MemoryStream(bytes))
            {
                using (var outputStream = new MemoryStream())
                {
                    using (var decompressStream = new BrotliStream(memoryStream, CompressionMode.Decompress))
                    {
                        decompressStream.CopyTo(outputStream);
                    }
                    return outputStream.ToArray();
                }
            }
        }

執行Brotli壓縮演演算法

下面的程式碼片斷顯示了你如何使用我們上面建立的Brotli壓縮方法來壓縮一個字串:

Console.WriteLine("Length of original string: " + originalString.Length);
byte[] dataToCompress = Encoding.UTF8.GetBytes(originalString);
byte[] compressedData = BrotliCompressor.Compress(dataToCompress);
string compressedString = Convert.ToBase64String(compressedData);
Console.WriteLine("Length of compressed string: " + compressedString.Length);
byte[] decompressedData = BrotliCompressor.Decompress(compressedData);
string deCompressedString = Convert.ToBase64String(decompressedData);
Console.WriteLine("Length of decompressed string: " + deCompressedString.Length);

當你執行該程式時，你將在控制檯視窗看到以下輸出:

圖2.Brotli將原來259個字元的字串壓縮成121個字元。

正如你所看到的，Brotli的壓縮效果比GZip好得多。然而，壓縮率並不是故事的全部，我們將在下面看到。

用GZip和Brotli進行非同步壓縮和解壓

請注意，我們之前使用的壓縮和解壓方法也有非同步的對應方法。這裡是使用GZip演演算法的壓縮和解壓方法的非同步版本:

public async static Task<byte[]> CompressAsync(byte[] bytes)
        {
            using (var memoryStream = new MemoryStream())
            {
                using (var gzipStream = new GZipStream(memoryStream, CompressionLevel.Optimal))
                {
                    await gzipStream.WriteAsync(bytes, 0, bytes.Length);
                }
                return memoryStream.ToArray();
            }
        }

public async static Task<byte[]> DecompressAsync(byte[] bytes)
        {
            using (var memoryStream = new MemoryStream(bytes))
            {
                using (var outputStream = new MemoryStream())
                {
                    using (var decompressStream = new GZipStream(memoryStream, CompressionMode.Decompress))
                    {
                        await decompressStream.CopyToAsync(outputStream);
                    }
                    return outputStream.ToArray();
                }
            }
        }

這裡是使用Brotli的壓縮和解壓方法的非同步版本:

public static async Task<byte[]> CompressAsync(byte[] bytes)
        {
            using (var memoryStream = new MemoryStream())
            {
                using (var brotliStream = new BrotliStream(memoryStream, CompressionLevel.Optimal))
                {
                    await brotliStream.WriteAsync(bytes, 0, bytes.Length);
                }
                return memoryStream.ToArray();
            }
        }

public static async Task<byte[]> DecompressAsync(byte[] bytes)
        {
            using (var memoryStream = new MemoryStream(bytes))
            {
                using (var outputStream = new MemoryStream())
                {
                    using (var brotliStream = new BrotliStream(memoryStream, CompressionMode.Decompress))
                    {
                        await brotliStream.CopyToAsync(outputStream);
                    }
                    return outputStream.ToArray();
                }
            }
        }

在C#中用GZip和Brotli進行壓縮和解壓的基準測試

在我們之前建立的控制檯應用程式專案中，建立一個名為BenchmarkCompression.cs的新檔案並輸入以下程式碼:

[MemoryDiagnoser]
[Orderer(BenchmarkDotNet.Order.SummaryOrderPolicy.FastestToSlowest)]
[RankColumn]
public class BenchmarkCompression
    {
        string originalString = "To work with BenchmarkDotNet you must install the BenchmarkDotNet package. " +
            "You can do this either via the NuGet Package Manager inside the Visual Studio 2019 IDE, " +
            "or by executing the Install-Package BenchmarkDotNet command at the NuGet Package Manager Console";

        [Benchmark]
        public void GZipCompress()
        {
            byte[] dataToCompress = Encoding.UTF8.GetBytes(originalString);
            var compressedData = GZipCompressor.Compress(dataToCompress);
        }

        [Benchmark]
        public void BrotliCompress()
        {
            byte[] dataToCompress = Encoding.UTF8.GetBytes(originalString);
            var compressedData = BrotliCompressor.Compress(dataToCompress); 
        }
    }

當你執行基準時，你應該看到類似於下面圖3所示的控制檯輸出。