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。

安全版本：

public static class HexHelper
{
    [System.Diagnostics.Contracts.Pure]
    public static string ToHex(this byte[] value)
    {
        if (value == null)
            throw new ArgumentNullException("value");

        const string hexAlphabet = @"0123456789ABCDEF";

        var chars = new char[checked(value.Length * 2)];
        unchecked
        {
            for (int i = 0; i < value.Length; i++)
            {
                chars[i * 2] = hexAlphabet[value[i] >> 4];
                chars[i * 2 + 1] = hexAlphabet[value[i] & 0xF];
            }
        }
        return new string(chars);
    }

    [System.Diagnostics.Contracts.Pure]
    public static byte[] FromHex(this string value)
    {
        if (value == null)
            throw new ArgumentNullException("value");
        if (value.Length % 2 != 0)
            throw new ArgumentException("Hexadecimal value length must be even.", "value");

        unchecked
        {
            byte[] result = new byte[value.Length / 2];
            for (int i = 0; i < result.Length; i++)
            {
                // 0(48) - 9(57) -> 0 - 9
                // A(65) - F(70) -> 10 - 15
                int b = value[i * 2]; // High 4 bits.
                int val = ((b - '0') + ((('9' - b) >> 31) & -7)) << 4;
                b = value[i * 2 + 1]; // Low 4 bits.
                val += (b - '0') + ((('9' - b) >> 31) & -7);
                result[i] = checked((byte)val);
            }
            return result;
        }
    }
}

不安全版本适用于那些喜欢性能且不怕不安全的人。ToHex快35%，FromHex快10%。

public static class HexUnsafeHelper
{
    [System.Diagnostics.Contracts.Pure]
    public static unsafe string ToHex(this byte[] value)
    {
        if (value == null)
            throw new ArgumentNullException("value");

        const string alphabet = @"0123456789ABCDEF";

        string result = new string(' ', checked(value.Length * 2));
        fixed (char* alphabetPtr = alphabet)
        fixed (char* resultPtr = result)
        {
            char* ptr = resultPtr;
            unchecked
            {
                for (int i = 0; i < value.Length; i++)
                {
                    *ptr++ = *(alphabetPtr + (value[i] >> 4));
                    *ptr++ = *(alphabetPtr + (value[i] & 0xF));
                }
            }
        }
        return result;
    }

    [System.Diagnostics.Contracts.Pure]
    public static unsafe byte[] FromHex(this string value)
    {
        if (value == null)
            throw new ArgumentNullException("value");
        if (value.Length % 2 != 0)
            throw new ArgumentException("Hexadecimal value length must be even.", "value");

        unchecked
        {
            byte[] result = new byte[value.Length / 2];
            fixed (char* valuePtr = value)
            {
                char* valPtr = valuePtr;
                for (int i = 0; i < result.Length; i++)
                {
                    // 0(48) - 9(57) -> 0 - 9
                    // A(65) - F(70) -> 10 - 15
                    int b = *valPtr++; // High 4 bits.
                    int val = ((b - '0') + ((('9' - b) >> 31) & -7)) << 4;
                    b = *valPtr++; // Low 4 bits.
                    val += (b - '0') + ((('9' - b) >> 31) & -7);
                    result[i] = checked((byte)val);
                }
            }
            return result;
        }
    }
}

顺便提一下对于每次调用的转换函数错误时初始化字母表的基准测试，字母表必须是常量（对于字符串）或静态只读（对于字符[]）。然后，基于字母表的字节[]到字符串的转换变得和字节操作版本一样快。

当然，测试必须在Release中编译（带有优化），并关闭调试选项“抑制JIT优化”（如果代码必须可调试，则“仅启用我的代码”也是如此）。

如果性能很重要，这里有一个优化的解决方案：

    static readonly char[] _hexDigits = "0123456789abcdef".ToCharArray();
    public static string ToHexString(this byte[] bytes)
    {
        char[] digits = new char[bytes.Length * 2];
        for (int i = 0; i < bytes.Length; i++)
        {
            int d1, d2;
            d1 = Math.DivRem(bytes[i], 16, out d2);
            digits[2 * i] = _hexDigits[d1];
            digits[2 * i + 1] = _hexDigits[d2];
        }
        return new string(digits);
    }

它比BitConverter.ToString快2.5倍，比BitConverter.ToString+删除“-”字符快7倍。

如果您希望比BitConverter更灵活，但不希望使用那些笨重的90年代风格的显式循环，那么您可以这样做：

String.Join(String.Empty, Array.ConvertAll(bytes, x => x.ToString("X2")));

或者，如果您使用的是.NET 4.0：

String.Concat(Array.ConvertAll(bytes, x => x.ToString("X2")));

（后者来自对原帖子的评论。）

从微软的开发人员那里，一个很好的、简单的转换：

public static string ByteArrayToString(byte[] ba) 
{
    // Concatenate the bytes into one long string
    return ba.Aggregate(new StringBuilder(32),
                            (sb, b) => sb.Append(b.ToString("X2"))
                            ).ToString();
}

虽然上面的内容简洁紧凑，但性能狂热者会使用枚举器对此尖叫不已。通过Tomalak原始答案的改进版本，您可以获得最佳性能：

public static string ByteArrayToString(byte[] ba)   
{   
   StringBuilder hex = new StringBuilder(ba.Length * 2);   

   for(int i=0; i < ba.Length; i++)       // <-- Use for loop is faster than foreach   
       hex.Append(ba[i].ToString("X2"));   // <-- ToString is faster than AppendFormat   

   return hex.ToString();   
} 

这是迄今为止我在这里看到的所有例程中速度最快的。不要只相信我的话…对每个例程进行性能测试并自行检查其CIL代码。

这可以从字符串到字节数组。。。

public static byte[] StrToByteArray(string str)
    {
        Dictionary<string, byte> hexindex = new Dictionary<string, byte>();
        for (byte i = 0; i < 255; i++)
            hexindex.Add(i.ToString("X2"), i);

        List<byte> hexres = new List<byte>();
        for (int i = 0; i < str.Length; i += 2)
            hexres.Add(hexindex[str.Substring(i, 2)]);

        return hexres.ToArray();
    }