前言

在很多数据密集型系统里，Apache Arrow 已经是很常见的内存列式数据格式了。它的优势很直接：跨语言、列式、适合做数据交换。

但是当我们在 .NET 里使用 Arrow IPC，并且开启压缩以后，会遇到一个比较现实的问题：压缩和解压本身会变成读写路径上的成本。

Apache Arrow .NET 默认的压缩实现已经能用，但在一些 read-heavy 的 Arrow IPC 场景里，尤其是 LZ4 读取场景，性能并不算理想。

在 Arrow .NET 23 版本里，我其实已经给 arrow-net 提交过不少性能优化相关的 PR。很多路径优化以后，整体性能已经能看到明显提升。

但 LZ4 这条路继续往下走，就绕不开底层库。Arrow .NET 默认用 K4os 做 LZ4 压缩和解压，继续优化意味着要继续啃 K4os，或者换一个实现。

我最后选了一个更保守的办法：不改 Arrow .NET 的默认实现，基于它已有的压缩扩展点单独做一个可选库。

也就是这个：

dotnet add package ArrowNet.Compression.NativeCompressions

项目地址：

https://github.com/InCerryGit/ArrowNet.Compression.NativeCompressions

这个库不是 Apache Arrow 官方包，而是一个可选的高性能压缩后端。它通过 Apache Arrow .NET 暴露出来的 ICompressionCodecFactory 扩展点，把底层压缩实现换成了 Cysharp 的 NativeCompressions。

NativeCompressions 仓库地址：

https://github.com/Cysharp/NativeCompressions

性能对比

先直接看结果。

Benchmark 环境：

• BenchmarkDotNet 0.15.8
• Ubuntu 24.04.2 LTS
• Intel Core i7-14700K
• .NET SDK 10.0.107
• Runtime .NET 8.0.26

测试的是 Arrow IPC 读写路径，不是单纯的 codec micro benchmark。也就是说，写入路径里包含 Arrow IPC writer 和 MemoryStream.ToArray() 的成本。

测试命令：

dotnet run --project benchmarks/ArrowNet.Compression.NativeCompressions.Benchmarks/ArrowNet.Compression.NativeCompressions.Benchmarks.csproj -c Release -f net8.0 -- --filter "*ArrowIpcCompressionBenchmarks*"

测试数据是 deterministic 的 int + string Arrow RecordBatch，分别测试：

• 10w 行
• 50w 行
• 100w 行

对比对象：

• Apache.Arrow.Compression.CompressionCodecFactory
• NativeCompressionsCodecFactory

结果如下：

Rows	Path	Codec	Apache mean	Apache allocated	Native mean	Native allocated	Time difference	Allocated difference
100k	Write compressed IPC stream	LZ4 frame	3.229 ms	6,105.70 KB	2.716 ms	5,291.66 KB	15.9% faster	13.3% less
100k	Read compressed IPC stream	LZ4 frame	0.764 ms	3.79 KB	0.431 ms	3.07 KB	43.5% faster	19.0% less
100k	Write compressed IPC stream	Zstd	4.205 ms	2,762.03 KB	3.318 ms	3,064.87 KB	21.1% faster	11.0% more
100k	Read compressed IPC stream	Zstd	1.555 ms	3.12 KB	1.313 ms	3.16 KB	15.6% faster	1.3% more
500k	Write compressed IPC stream	LZ4 frame	15.844 ms	28,698.06 KB	14.929 ms	26,426.71 KB	5.8% faster	7.9% less
500k	Read compressed IPC stream	LZ4 frame	4.039 ms	4.10 KB	2.235 ms	3.42 KB	44.7% faster	16.6% less
500k	Write compressed IPC stream	Zstd	21.681 ms	13,536.49 KB	17.133 ms	15,023.90 KB	21.0% faster	11.0% more
500k	Read compressed IPC stream	Zstd	8.181 ms	3.45 KB	6.800 ms	3.48 KB	16.9% faster	0.9% more
1M	Write compressed IPC stream	LZ4 frame	36.852 ms	57,450.92 KB	32.276 ms	52,845.62 KB	12.4% faster	8.0% less
1M	Read compressed IPC stream	LZ4 frame	8.619 ms	4.11 KB	4.761 ms	3.22 KB	44.8% faster	21.7% less
1M	Write compressed IPC stream	Zstd	41.588 ms	27,016.95 KB	36.714 ms	29,987.13 KB	11.7% faster	11.0% more
1M	Read compressed IPC stream	Zstd	16.717 ms	3.74 KB	14.523 ms	4.14 KB	13.1% faster	10.7% more

可以看到，最明显的是 LZ4 read 场景。

在 10w、50w、100w 三组数据下，NativeCompressions 后端快了大约 44%，managed allocation 也更低。

Zstd 这边也有时间收益，不过内存分配上并不是所有场景都更好。尤其是 Zstd write，速度更快，但 managed allocation 会多一些。

所以这个优化不能简单理解成“所有场景都更好”。更准确地说：

• LZ4 read：收益非常明显，时间和 managed allocation 都更好；
• LZ4 write：时间更快，allocation 更少；
• Zstd read/write：时间更快，但 allocation 可能略高。

性能优化不能只看一个指标。只看耗时，容易忽略 allocation；只看 allocation，又可能错过真实吞吐收益。

这里的 allocated 是 BenchmarkDotNet MemoryDiagnoser 统计出来的 managed allocation per operation，不是进程峰值内存，也不是 native memory。

关于 NativeCompressions

NativeCompressions 是 Cysharp 做的 native compression binding / high-level API。

它支持：

• LZ4
• Zstandard
• OpenZL

对于 Arrow .NET 来说，最相关的就是：

• CompressionCodecType.Lz4Frame
• CompressionCodecType.Zstd

正好对应 Arrow IPC 当前公开的两个压缩 codec。

不过要注意，NativeCompressions 当前仍然是 preview 状态。它的 README 里也明确写了 API 可能变化，不建议直接无脑用于所有生产环境。

在这个库里，它只负责替换 Arrow IPC 的 LZ4/Zstd codec 实现。Arrow 的数据结构、IPC 格式、reader/writer API 还是 Apache Arrow .NET 的。

Arrow .NET 是怎么接入压缩的？

Apache Arrow .NET 这里设计得比较好，它没有把压缩实现完全写死。

它提供了一个扩展点：

ICompressionCodecFactory

也就是说，只要实现这个 factory，就可以让 Arrow reader / writer 使用自己的 codec。

使用方式大概是这样：

using Apache.Arrow.Ipc;
using ArrowNet.Compression.NativeCompressions;

var options = new IpcOptions
{
    CompressionCodecFactory = new NativeCompressionsCodecFactory(),
    CompressionCodec = CompressionCodecType.Lz4Frame
};

如果使用 Zstd，把 CompressionCodec 改成 CompressionCodecType.Zstd 即可。

所以这个库可以做得很小。

不需要 fork Apache Arrow，也不需要改 Arrow 的源码，只需要实现它已经暴露出来的 codec factory 即可。

NativeCompressionsCodecFactory 做了什么？

核心入口就是：

NativeCompressionsCodecFactory

它负责根据 Arrow 的 CompressionCodecType 创建对应 codec。

目前只支持两个：

CompressionCodecType.Lz4Frame
CompressionCodecType.Zstd

不支持的 codec 会直接抛 NotSupportedException。

这样做有一个好处：失败是显式的。

压缩格式这种东西最怕静默 fallback。你以为用了某个高性能 backend，实际却 fallback 到别的实现，这种问题很难排查。所以这里宁可直接失败，也不要偷偷降级。

LZ4 和 Zstd 的实现思路

实现上分别有两个 internal codec：

• NativeCompressionsLz4CompressionCodec
• NativeCompressionsZstdCompressionCodec

LZ4 路径使用 NativeCompressions 的 LZ4 API。

Zstd 路径使用 NativeCompressions 的 Zstandard API，默认压缩级别是 3。

更值得注意的是，压缩路径没有使用 one-shot Compress(...) 返回新 byte[] 的方式。

一开始我也看过这个方向，但这会引入额外的临时压缩数组。对于 Arrow IPC 写入来说，本来就有 writer、buffer、stream、ToArray() 等成本，再多一个临时大数组，会让 allocation 更难看。

所以现在的实现使用了：

• ArrayPool<byte>.Shared
• span-based output API
• 最大压缩长度预估
• 压缩完成后只写实际压缩长度

这样做不是严格意义上的“零拷贝”，但已经是比较接近当前接口约束下的 minimal-copy 路径。

对于解压路径，Arrow 会给出目标输出大小。codec 只需要把压缩 payload 解到 Arrow 期望的目标 buffer 里即可。

这里还有一个细节：Arrow IPC buffer 里可能存在 padding，所以 decoder 不能简单假设输入长度就等于压缩帧的精确长度。实现需要遵守 Arrow 的 exact-output-size contract。

Benchmark 是怎么设计的？

Benchmark 不是只测 codec 本身，而是测端到端 Arrow IPC 读写路径。

主要有两个 benchmark：

WriteCompressedIpcStream()
ReadOfficialCompressedIpcStream()

参数有三组：

[Params(100_000, 500_000, 1_000_000)]
public int RowCount { get; set; }

[Params(CompressionCodecType.Lz4Frame, CompressionCodecType.Zstd)]
public CompressionCodecType Codec { get; set; }

[Params(CompressionBackend.ApacheArrowCompression, CompressionBackend.NativeCompressions)]
public CompressionBackend Backend { get; set; }

也就是：

• 3 个数据量
• 2 个 codec
• 2 个 backend
• 读写两个路径

总共 24 组结果。

另外 benchmark 加了：

[MemoryDiagnoser]

这个属性也是 README 表格里 allocated 数据的来源。

读路径还有一个特意设计：两边 backend 解压的是同一份由 Apache Arrow 官方 compression factory 写出来的 payload。

这样可以避免“不同 writer 生成不同 payload”影响读路径对比。

为什么要写成一个独立包？

一开始我并不是奔着“新建一个库”去的。

前面在 Arrow .NET 23 上做性能优化时，很多问题都还能在 arrow-net 自己的代码里解决。但 LZ4 不太一样。越往下看，越像是底层库本身的事情。

Arrow .NET 默认使用 K4os 做 LZ4 后端。如果继续沿着这条路优化，就需要深入 K4os 的实现细节；如果直接替换 Arrow .NET 的默认压缩库，又会带来更大的兼容性和维护成本。

所以最终的选择是：不动默认实现，基于 Arrow .NET 已有的 ICompressionCodecFactory 扩展点，做一个可选后端。

这样既不用 fork Apache Arrow，也不用改变默认行为。需要这部分性能收益的用户，可以主动安装并切换到 NativeCompressions 后端；不需要的人，则完全不受影响。

这个边界对我来说很重要。

所以这个库刻意保持得很小：

• 不做自动检测
• 不做 DI 封装
• 不做 fallback chain
• 不 patch Apache Arrow
• 不支持 Arrow 当前没有公开的 codec

只做一件事：提供一个 NativeCompressions-backed codec factory。

使用方式

安装：

dotnet add package ArrowNet.Compression.NativeCompressions

然后像前面一样，在 IpcOptions 里把 CompressionCodecFactory 设置成 NativeCompressionsCodecFactory，再选择 Lz4Frame 或 Zstd。

如果主要是读 Arrow IPC stream，也是在构造 reader 时传入相应 options / factory。

具体接入点取决于使用的是 ArrowStreamReader、ArrowFileReader，还是 IPC writer。

目前的限制

这个库目前有几个明确限制。

第一，只支持：

• LZ4 frame
• Zstd

其他 codec 会直接失败。

第二，NativeCompressions 当前还是 preview。它的 API 和 runtime package 后续可能会变化。

第三，当前没有 strong-name signing。原因是 NativeCompressions 相关依赖目前不是 strong-named。

第四，benchmark 结果只代表当前仓库里的测试环境和 workload。真实 workload 如果字段类型、字符串分布、压缩比例、IO 方式不同，结果也可能不同。

第五，表格里的 allocation 口径要看清楚。它不是 native memory，也不是进程峰值工作集。

总结

这次优化的核心其实不是“换个库”这么简单，而是利用 Arrow .NET 已经设计好的扩展点，把压缩后端替换成 NativeCompressions，并且用真实 Arrow IPC 路径做 benchmark 验证。

当前结果看下来：

• LZ4 read 是最值得关注的场景，大约 44% faster；
• LZ4 write 也有稳定收益，并且 allocation 更少；
• Zstd 时间上也更快，但 managed allocation 不一定更低；
• 这个库可以当作 Arrow .NET 的可选高性能压缩后端；
• 由于 NativeCompressions 仍是 preview，生产使用前建议结合自己的 workload 重新 benchmark。

最后，性能优化一定要回到真实路径里验证。

只测 codec throughput 当然有意义，但如果真实业务走的是 Arrow IPC reader/writer，那么 end-to-end IPC benchmark 才更接近真正会感受到的性能。

参考资料

• ArrowNet.Compression.NativeCompressions
  https://github.com/InCerryGit/ArrowNet.Compression.NativeCompressions

• Cysharp NativeCompressions
  https://github.com/Cysharp/NativeCompressions

• Apache Arrow .NET ICompressionCodecFactory
  https://arrow.apache.org/dotnet/current/api/Apache.Arrow.Ipc.ICompressionCodecFactory.html

• Apache Arrow .NET IpcOptions
  https://arrow.apache.org/dotnet/current/api/Apache.Arrow.Ipc.IpcOptions.html

• Apache Arrow .NET CompressionCodecType
  https://arrow.apache.org/dotnet/current/api/Apache.Arrow.Ipc.CompressionCodecType.html

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