c#操作Xml（七）

前言

    上集介绍了使用XmlWriter如何写一个大型的xml，不难发现XmlWriter使用起来略比Linq to Xml麻烦一些，不过优势却是基本不消耗内存。不过XmlWriter的功能仅仅是写Xml，要读取Xml则需要依靠XmlReader，这就是今天的主角。

准备工作

    首先，来准备一个大型的xml：

static void CreateLargeXmlFile(string fileName)
{
    using (var writer = XmlWriter.Create(fileName,
            new XmlWriterSettings
            {
                Indent = true
            }))
    {
        writer.WriteStartDocument();
        writer.WriteStartElement("root");
        for (int i = 0; i < 100; i++)
        {
            writer.WriteStartElement("folder");
            writer.WriteAttributeString("name", i.ToString());
            for (int j = 0; j < 100; j++)
            {
                writer.WriteStartElement("folder");
                writer.WriteAttributeString("name", j.ToString());
                for (int k = 0; k < 1000; k++)
                {
                    writer.WriteStartElement("file");
                    writer.WriteAttributeString("name", k.ToString());
                    writer.WriteEndElement();
                }
                writer.WriteEndElement();
            }
            writer.WriteEndElement();
        }
        writer.WriteEndElement();
        writer.WriteEndDocument();
    }
}

    执行这个方法，就可以获得一个250M的大型Xml。

基础

    首先来看一下一个代码演示如何最简单的使用XmlReader：

using (var reader = XmlReader.Create("LargeXmlFile.xml"))
{
    while (reader.ReadToFollowing("file"))
    {
        var name = reader.GetAttribute("name");
        if (name.EndsWith("0"))
            Console.WriteLine(name);
    }
}

    这段代码将打印出xml中所有file节点，并且name是以”0”为结尾的name属性。

    当然XmlReader还有不少的方法，不过这样使用，实在是太累了，对于大多数的操作而言，Linq to Xml的API已经足够强大了，所以不妨依葫芦画瓢，来一个简易版的Linq to XmlReader。

扩展方法Elements

    首先仿造一个Linq to Xml的Elements方法：

public static IEnumerable<XmlReader> Elements(this XmlReader reader, string name)
{
    reader.Read();
    while (reader.ReadToNextSibling(name))
    {
        var result = reader.ReadSubtree();
        result.Read();
        yield return result;
        result.Close();
    }
}
    乍一看这个方法出奇的简单，但是注意，这里运用了c# 2.0的yield语法，才能简化到如此简单的6句语句。

    来看看怎么使用这个扩展方法：

private static void ReadByReader()
{
    using (var reader = XmlReader.Create("LargeXmlFile.xml"))
    {
        foreach (var item in from x in reader.Elements("root").First().Elements("folder")
                             let parentName = x.GetAttribute("name")
                             where int.Parse(parentName) % 20 == 0
                             from y in x.Elements("folder")
                             let folderName = y.GetAttribute("name")
                             where int.Parse(folderName) % 30 == 0
                             select string.Format("folder:{0}\tfolder:{1}", parentName, folderName))
        {
            Console.WriteLine(item);
        }
    }
}

    感觉很像Linq to Xml吧，来看看运行的结果：

folder:0        folder:0
folder:0        folder:30
folder:0        folder:60
folder:0        folder:90
folder:20       folder:0
folder:20       folder:30
folder:20       folder:60
folder:20       folder:90
folder:40       folder:0
folder:40       folder:30
folder:40       folder:60
folder:40       folder:90
folder:60       folder:0
folder:60       folder:30
folder:60       folder:60
folder:60       folder:90
folder:80       folder:0
folder:80       folder:30
folder:80       folder:60
folder:80       folder:90

    这就是需要的结果，不过注意，在这个方法运行期间，整个应用程序的内存占用几乎维持在初始的内存占用状态（7M），完全无视读取的文件的巨大尺寸。

    不过要注意的是这个扩展是有部分问题的，因为XmlReader是用流的方式工作的，所以有些写法会产生不想要的结果，例如：

private static void ReadByReader_Incorrect()
{
    using (var reader = XmlReader.Create("LargeXmlFile.xml"))
    {
        foreach (var item in from x in reader.Elements("root").First().Elements("folder")
                             where int.Parse(x.GetAttribute("name")) % 20 == 0
                             from y in x.Elements("folder")
                             where int.Parse(y.GetAttribute("name")) % 30 == 0
                             select string.Format("folder:{0}\tfolder:{1}", x.GetAttribute("name"), y.GetAttribute("name")))
        {
            Console.WriteLine(item);
        }
    }
}

    看看和正确版本的区别吧，少了let语句，表面上看语义是完全正确的，但是，实际上x和y这两个XmlReader是共用一个流的，也就是说y移动了流的位置之后，x的流位置也被移动了，所以运行出来的结果是：

folder:0        folder:0
folder:30       folder:30
folder:60       folder:60
folder:90       folder:90
folder:0        folder:0
folder:30       folder:30
folder:60       folder:60
folder:90       folder:90
folder:0        folder:0
folder:30       folder:30
folder:60       folder:60
folder:90       folder:90
folder:0        folder:0
folder:30       folder:30
folder:60       folder:60
folder:90       folder:90
folder:0        folder:0
folder:30       folder:30
folder:60       folder:60
folder:90       folder:90

    不难发现，x和y的读取出来的内容是完全一样的，这显然是这个扩展方法本身的缺陷。但是只要注意这些缺陷，还是可以在很大程度上简化编程的。

扩展方法Descendants

    模仿完Elements，再来模仿一个Descendants：

public static IEnumerable<XmlReader> Descendants(this XmlReader reader, string name)
{
    reader.Read();
    while (reader.ReadToFollowing(name))
    {
        var result = reader.ReadSubtree();
        result.Read();
        yield return result;
        result.Close();
    }
}

    还是6句，还是得益于yield语法，而且还是有缺陷。再看看例子吧：

private static void ReadByReader_Another()
{
    using (var reader = XmlReader.Create("LargeXmlFile.xml"))
    {
        foreach (var item in
            from x in reader.Descendants("folder")
            let folder = x.GetAttribute("name")
            where folder == "66"
            from y in x.Descendants("file")
            let file = y.GetAttribute("name")
            where file == "666"
            select string.Format("folder:{0}\tfile:{1}", folder, file))
        {
            Console.WriteLine(item);
        }
    }
}

    这里的Descendants不会查找出folder下面的folder，也就是这里的Descendants(“folder”)仅仅返回最外层的folder节点序列，这一点和Linq to Xml的Descendants不同（也不符合Xml的子孙轴的定义），主要是还没有找到相应的解决方案。

性能比较

    扩展方法就暂时到这里，接下来来比较读取xml的性能比较。

    比较双方：XmlReader加上文中的两个扩展 vs Linq to Xml

    理论比较：

  • XmlReader使用只进流的方式工作，因此不需要占用很大的内存，Linq to Xml使用in-memory的方式工作，因此内存占用与Xml的大小有关
  • XmlReader每次读取都要读取流所在的真实存储介质（测试中是文件），Linq to Xml的Load本身需要一次完整的加载，但是Load出来的结果是可以缓存下来的，而只有地查找就仅仅是一次内存查找了

    测试工具：最近CodeTimer比较流行，就用这个吧

    测试环境：Windows XP，Release

    测试数据：前面产生的250M左右的大型Xml，一个使用下面的code产生的小型xml（29K）

static void CreateSmallXmlFile(string fileName)
{
    using (var writer = XmlWriter.Create(fileName,
            new XmlWriterSettings
            {
                Indent = true
            }))
    {
        writer.WriteStartDocument();
        writer.WriteStartElement("root");
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            writer.WriteStartElement("folder");
            writer.WriteAttributeString("name", i.ToString());
            for (int j = 0; j < 10; j++)
            {
                writer.WriteStartElement("folder");
                writer.WriteAttributeString("name", j.ToString());
                for (int k = 0; k < 10; k++)
                {
                    writer.WriteStartElement("file");
                    writer.WriteAttributeString("name", k.ToString());
                    writer.WriteEndElement();
                }
                writer.WriteEndElement();
            }
            writer.WriteEndElement();
        }
        writer.WriteEndElement();
        writer.WriteEndDocument();
    }
}

    测试代码：

static void ReadByReader(string fileName)
{
    using (var reader = XmlReader.Create(fileName))
        foreach (var item in
            from x in reader.Elements("root").First().Elements("folder")
            where x.GetAttribute("name") == "66"
            from y in x.Descendants("file")
            where y.GetAttribute("name") == "666"
            select y.GetAttribute("name"))
            ;
}

static void ReadByLinq_NoCache(string fileName)
{
    XDocument doc = XDocument.Load(fileName);
    foreach (var item in
        from x in doc.Root.Elements("folder")
        where (string)x.Attribute("name") == "66"
        from y in x.Descendants("file")
        where (string)y.Attribute("name") == "666"
        select (string)x.Attribute("name"))
        ;
}

static XDocument m_doc;
static void ReadByLinq_Cache(string fileName)
{
    if (m_doc == null)
        m_doc = XDocument.Load(fileName);
    foreach (var item in
        from x in m_doc.Root.Elements("folder")
        where (string)x.Attribute("name") == "66"
        from y in x.Descendants("file")
        where (string)y.Attribute("name") == "666"
        select (string)x.Attribute("name"))
        ;
}

    然后是Main方法：

Console.Write("Ready:");
string fileName = "LargeXmlFile.xml";
int turnCount = 10;
Console.ReadLine();
CodeTimer.Time("Read by Xml Reader", turnCount, () => ReadByReader(fileName));
//CodeTimer.Time("Read by Linq to Xml (cache)", turnCount, () => ReadByLinq_Cache(fileName));
//CodeTimer.Time("Read by Linq to Xml (no cache)", turnCount, () => ReadByLinq_NoCache(fileName));
Console.ReadLine();

    每次执行仅仅跑一个测试，避免不必要的误差，大xml文件仅跑10次，要不然时间太长，小xml文件跑1000次，结果如下：

大Xml文件测试结果：

Ready:
Read by Xml Reader
        Time Elapsed:           81,106ms
        Time Elapsed (one time):8,110ms
        CPU time:               81,062,500,000ns
        CPU time (one time):    8,106,250,000ns
        Gen 0:                  310
        Gen 1:                  5
        Gen 2:                  0

内存占用停留在8M

Ready:
Read by Linq to Xml (cache)
        Time Elapsed:           153,335ms
        Time Elapsed (one time):15,333ms
        CPU time:               77,687,500,000ns
        CPU time (one time):    7,768,750,000ns
        Gen 0:                  209
        Gen 1:                  171
        Gen 2:                  27

内存占用800余M，由于Windows动用了虚拟内存，所以即使Cache了Xml的内容，速度依然很糟糕

Ready:
Read by Linq to Xml (no cache)
        Time Elapsed:           1,100,787ms
        Time Elapsed (one time):110,078ms
        CPU time:               532,859,375,000ns
        CPU time (one time):    53,285,937,500ns
        Gen 0:                  1645
        Gen 1:                  1131
        Gen 2:                  124

内存10次上涨到800余M，笔记本被痛苦的折磨了以后，终于得到结果了。。。

    对大型Xml文件来说，XmlReader以极小的内存占用和极少的垃圾对象完胜。

    接下来是小型Xml文件的测试代码：

Console.Write("Ready:");
string fileName = "SmallXmlFile.xml";
int turnCount = 1000;
Console.ReadLine();
CodeTimer.Time("Read by Xml Reader", turnCount, () => ReadByReader(fileName));
//CodeTimer.Time("Read by Linq to Xml (cache)", turnCount, () => ReadByLinq_Cache(fileName));
//CodeTimer.Time("Read by Linq to Xml (no cache)", turnCount, () => ReadByLinq_NoCache(fileName));
Console.ReadLine();

    看看测试结果：

Ready:
Read by Xml Reader
        Time Elapsed:           1,835ms
        Time Elapsed (one time):1ms
        CPU time:               1,156,250,000ns
        CPU time (one time):    1,156,250ns
        Gen 0:                  19
        Gen 1:                  0
        Gen 2:                  0

内存几乎没增加，没有1代和2代的垃圾

Ready:
Read by Linq to Xml (cache)
        Time Elapsed:           258ms
        Time Elapsed (one time):0ms
        CPU time:               31,250,000ns
        CPU time (one time):    31,250ns
        Gen 0:                  0
        Gen 1:                  0
        Gen 2:                  0

速度飞快，并且没有垃圾产生（因为整个XDocument还被缓存引用着）

Ready:
Read by Linq to Xml (no cache)
        Time Elapsed:           1,589ms
        Time Elapsed (one time):1ms
        CPU time:               1,546,875,000ns
        CPU time (one time):    1,546,875ns
        Gen 0:                  74
        Gen 1:                  11
        Gen 2:                  0

Xml比较小，所以没有内存压力，但是有1代的垃圾

    小Xml文件的测试结果表明，Linq to Xml的主要代价在加载Xml本身，查找的代价非常小，也就是有Cache时，整个过程的时间仅仅是No Cache的1/6，而XmlReader方式无法Cache。

    在同样No Cache的情况下，XmlReader的使用时间较长（多消耗15%），但是GC的压力相对较小（少消耗25%），同时CPU time也略小于Linq to Xml。

结论

    如果仅仅是读取Xml的话，XmlReader的优势还是相当大的。当Xml很大时，XmlReader是唯一能保证内存不会成为制约因素的读取方式，即使Xml文件不是很大的情况下，XmlReader也不会落后于其他方式太多。要说缺点的话，最大的确定就是API并不怎么容易使用，除非自己添加扩展方法。

下集预告

    还有下集吗？Xml的东西太多了，要讲总是有东西可讲的，下集主要介绍一下Xml序列化，不过Xml序列化本身的内容就非常多，单独拿出来写一个系列都可以，所以下集仅仅是一个相对比较简单的介绍。

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