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。

另一个快速功能。。。

private static readonly byte[] HexNibble = new byte[] {
    0x0, 0x1, 0x2, 0x3, 0x4, 0x5, 0x6, 0x7,
    0x8, 0x9, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0,
    0x0, 0xA, 0xB, 0xC, 0xD, 0xE, 0xF, 0x0,
    0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0,
    0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0,
    0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0, 0x0,
    0x0, 0xA, 0xB, 0xC, 0xD, 0xE, 0xF
};

public static byte[] HexStringToByteArray( string str )
{
    int byteCount = str.Length >> 1;
    byte[] result = new byte[byteCount + (str.Length & 1)];
    for( int i = 0; i < byteCount; i++ )
        result[i] = (byte) (HexNibble[str[i << 1] - 48] << 4 | HexNibble[str[(i << 1) + 1] - 48]);
    if( (str.Length & 1) != 0 )
        result[byteCount] = (byte) HexNibble[str[str.Length - 1] - 48];
    return result;
}

这里不想赘述很多答案，但我发现了一个十六进制字符串解析器的相当优化（比公认的好4.5倍）、简单的实现。首先，我的测试输出（第一批是我的实现）：

Give me that string:
04c63f7842740c77e545bb0b2ade90b384f119f6ab57b680b7aa575a2f40939f

Time to parse 100,000 times: 50.4192 ms
Result as base64: BMY/eEJ0DHflRbsLKt6Qs4TxGfarV7aAt6pXWi9Ak58=
BitConverter'd: 04-C6-3F-78-42-74-0C-77-E5-45-BB-0B-2A-DE-90-B3-84-F1-19-F6-AB-5
7-B6-80-B7-AA-57-5A-2F-40-93-9F

Accepted answer: (StringToByteArray)
Time to parse 100000 times: 233.1264ms
Result as base64: BMY/eEJ0DHflRbsLKt6Qs4TxGfarV7aAt6pXWi9Ak58=
BitConverter'd: 04-C6-3F-78-42-74-0C-77-E5-45-BB-0B-2A-DE-90-B3-84-F1-19-F6-AB-5
7-B6-80-B7-AA-57-5A-2F-40-93-9F

With Mono's implementation:
Time to parse 100000 times: 777.2544ms
Result as base64: BMY/eEJ0DHflRbsLKt6Qs4TxGfarV7aAt6pXWi9Ak58=
BitConverter'd: 04-C6-3F-78-42-74-0C-77-E5-45-BB-0B-2A-DE-90-B3-84-F1-19-F6-AB-5
7-B6-80-B7-AA-57-5A-2F-40-93-9F

With SoapHexBinary:
Time to parse 100000 times: 845.1456ms
Result as base64: BMY/eEJ0DHflRbsLKt6Qs4TxGfarV7aAt6pXWi9Ak58=
BitConverter'd: 04-C6-3F-78-42-74-0C-77-E5-45-BB-0B-2A-DE-90-B3-84-F1-19-F6-AB-5
7-B6-80-B7-AA-57-5A-2F-40-93-9F

base64和“BitConverter'd”行用于测试正确性。请注意，它们是相等的。

实施：

public static byte[] ToByteArrayFromHex(string hexString)
{
  if (hexString.Length % 2 != 0) throw new ArgumentException("String must have an even length");
  var array = new byte[hexString.Length / 2];
  for (int i = 0; i < hexString.Length; i += 2)
  {
    array[i/2] = ByteFromTwoChars(hexString[i], hexString[i + 1]);
  }
  return array;
}

private static byte ByteFromTwoChars(char p, char p_2)
{
  byte ret;
  if (p <= '9' && p >= '0')
  {
    ret = (byte) ((p - '0') << 4);
  }
  else if (p <= 'f' && p >= 'a')
  {
    ret = (byte) ((p - 'a' + 10) << 4);
  }
  else if (p <= 'F' && p >= 'A')
  {
    ret = (byte) ((p - 'A' + 10) << 4);
  } else throw new ArgumentException("Char is not a hex digit: " + p,"p");

  if (p_2 <= '9' && p_2 >= '0')
  {
    ret |= (byte) ((p_2 - '0'));
  }
  else if (p_2 <= 'f' && p_2 >= 'a')
  {
    ret |= (byte) ((p_2 - 'a' + 10));
  }
  else if (p_2 <= 'F' && p_2 >= 'A')
  {
    ret |= (byte) ((p_2 - 'A' + 10));
  } else throw new ArgumentException("Char is not a hex digit: " + p_2, "p_2");

  return ret;
}

我尝试了一些不安全的东西，并将（显然是冗余的）字符移动到另一个方法来蚕食if序列，但这是最快的。

（我承认这回答了一半的问题。我觉得字符串->字节[]转换不足，而字节[]->字符串角度似乎被很好地覆盖了。因此，这个答案。）

    // a safe version of the lookup solution:       

    public static string ByteArrayToHexViaLookup32Safe(byte[] bytes, bool withZeroX)
    {
        if (bytes.Length == 0)
        {
            return withZeroX ? "0x" : "";
        }

        int length = bytes.Length * 2 + (withZeroX ? 2 : 0);
        StateSmall stateToPass = new StateSmall(bytes, withZeroX);
        return string.Create(length, stateToPass, (chars, state) =>
        {
            int offset0x = 0;
            if (state.WithZeroX)
            {
                chars[0] = '0';
                chars[1] = 'x';
                offset0x += 2;
            }

            Span<uint> charsAsInts = MemoryMarshal.Cast<char, uint>(chars.Slice(offset0x));
            int targetLength = state.Bytes.Length;
            for (int i = 0; i < targetLength; i += 1)
            {
                uint val = Lookup32[state.Bytes[i]];
                charsAsInts[i] = val;
            }
        });
    }

    private struct StateSmall
    {
        public StateSmall(byte[] bytes, bool withZeroX)
        {
            Bytes = bytes;
            WithZeroX = withZeroX;
        }

        public byte[] Bytes;
        public bool WithZeroX;
    }

可以使用从.NET 5开始的Convert.ToHexString。还有一个用于反向操作的方法：Convert.FromHexString。

对于较旧版本的.NET，您可以使用：

public static string ByteArrayToString(byte[] ba)
{
  StringBuilder hex = new StringBuilder(ba.Length * 2);
  foreach (byte b in ba)
    hex.AppendFormat("{0:x2}", b);
  return hex.ToString();
}

or:

public static string ByteArrayToString(byte[] ba)
{
  return BitConverter.ToString(ba).Replace("-","");
}

举个例子，这里有更多的方法。

反向转换如下：

public static byte[] StringToByteArray(String hex)
{
  int NumberChars = hex.Length;
  byte[] bytes = new byte[NumberChars / 2];
  for (int i = 0; i < NumberChars; i += 2)
    bytes[i / 2] = Convert.ToByte(hex.Substring(i, 2), 16);
  return bytes;
}

使用Substring是与Convert.ToByte结合使用的最佳选项。有关详细信息，请参阅此答案。如果需要更好的性能，必须避免Convert.ToByte，然后才能删除SubString。

扩展BigInteger方法（Gregory Morse在上面提到过）。我不能评论效率，它使用System.Linq.Reverse（），但它很小而且内置。

        // To hex
        byte[] bytes = System.Text.Encoding.UTF8.GetBytes("Test String!£");
        string hexString = new System.Numerics.BigInteger(bytes.Reverse().ToArray()).ToString("x2");

        // From hex
        byte[] fromHexBytes = System.Numerics.BigInteger.Parse(hexString, System.Globalization.NumberStyles.HexNumber).ToByteArray().Reverse().ToArray();

        // Unit test
        CollectionAssert.AreEqual(bytes, fromHexBytes);