- Go語(yǔ)言精進(jìn)之路：從新手到高手的編程思想、方法和技巧（2）
- 白明
- 2264字
- 2022-01-04 17:42:26
46.2 順序執(zhí)行和并行執(zhí)行的性能基準(zhǔn)測(cè)試
根據(jù)是否并行執(zhí)行，Go的性能基準(zhǔn)測(cè)試可以分為兩類：順序執(zhí)行的性能基準(zhǔn)測(cè)試和并行執(zhí)行的性能基準(zhǔn)測(cè)試。
1. 順序執(zhí)行的性能基準(zhǔn)測(cè)試
其代碼寫法如下：
func BenchmarkXxx(b *testing.B) {
// ...
for i := 0; i < b.N; i++ {
// 被測(cè)對(duì)象的執(zhí)行代碼
}
}
前面對(duì)多種字符串連接方法的性能基準(zhǔn)測(cè)試就歸屬于這一類。關(guān)于順序執(zhí)行的性能基準(zhǔn)測(cè)試的執(zhí)行過程原理，可以通過下面的例子來(lái)說明：
// chapter8/sources/benchmark-impl/sequential_test.go
var (
m map[int64]struct{} = make(map[int64]struct{}, 10)
mu sync.Mutex
round int64 = 1
)
func BenchmarkSequential(b *testing.B) {
fmt.Printf("\ngoroutine[%d] enter BenchmarkSequential: round[%d], b.N[%d]\n",
tls.ID(), atomic.LoadInt64(&round), b.N)
defer func() {
atomic.AddInt64(&round, 1)
}()
for i := 0; i < b.N; i++ {
mu.Lock()
_, ok := m[round]
if !ok {
m[round] = struct{}{}
fmt.Printf("goroutine[%d] enter loop in BenchmarkSequential: round[%d], b.N[%d]\n",
tls.ID(), atomic.LoadInt64(&round), b.N)
}
mu.Unlock()
}
fmt.Printf("goroutine[%d] exit BenchmarkSequential: round[%d], b.N[%d]\n",
tls.ID(), atomic.LoadInt64(&round), b.N)
}
運(yùn)行這個(gè)例子：
$go test -bench . sequential_test.go goroutine[1] enter BenchmarkSequential: round[1], b.N[1] goroutine[1] enter loop in BenchmarkSequential: round[1], b.N[1] goroutine[1] exit BenchmarkSequential: round[1], b.N[1] goos: darwin goarch: amd64 BenchmarkSequential-8 goroutine[2] enter BenchmarkSequential: round[2], b.N[100] goroutine[2] enter loop in BenchmarkSequential: round[2], b.N[100] goroutine[2] exit BenchmarkSequential: round[2], b.N[100] goroutine[2] enter BenchmarkSequential: round[3], b.N[10000] goroutine[2] enter loop in BenchmarkSequential: round[3], b.N[10000] goroutine[2] exit BenchmarkSequential: round[3], b.N[10000] goroutine[2] enter BenchmarkSequential: round[4], b.N[1000000] goroutine[2] enter loop in BenchmarkSequential: round[4], b.N[1000000] goroutine[2] exit BenchmarkSequential: round[4], b.N[1000000] goroutine[2] enter BenchmarkSequential: round[5], b.N[65666582] goroutine[2] enter loop in BenchmarkSequential: round[5], b.N[65666582] goroutine[2] exit BenchmarkSequential: round[5], b.N[65666582] 65666582 20.6 ns/op PASS ok command-line-arguments 1.381s
我們看到：
- BenchmarkSequential被執(zhí)行了多輪（見輸出結(jié)果中的round值）；
- 每一輪執(zhí)行，for循環(huán)的b.N值均不相同，依次為1、100、10000、1000000和65666582；
- 除b.N為1的首輪，其余各輪均在一個(gè)goroutine（goroutine[2]）中順序執(zhí)行。
默認(rèn)情況下，每個(gè)性能基準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)（如BenchmarkSequential）的執(zhí)行時(shí)間為1秒。如果執(zhí)行一輪所消耗的時(shí)間不足1秒，那么go test會(huì)按就近的順序增加b.N的值：1、2、3、5、10、20、30、50、100等。如果當(dāng)b.N較小時(shí)，基準(zhǔn)測(cè)試執(zhí)行可以很快完成，那么go test基準(zhǔn)測(cè)試框架將跳過中間的一些值，選擇較大的值，比如像這里b.N從1直接跳到100。選定新的b.N之后，go test基準(zhǔn)測(cè)試框架會(huì)啟動(dòng)新一輪性能基準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)的執(zhí)行，直到某一輪執(zhí)行所消耗的時(shí)間超出1秒。上面例子中最后一輪的b.N值為65666582，這個(gè)值應(yīng)該是go test根據(jù)上一輪執(zhí)行后得到的每次循環(huán)平均執(zhí)行時(shí)間計(jì)算出來(lái)的。go test發(fā)現(xiàn)，如果將上一輪每次循環(huán)平均執(zhí)行時(shí)間與再擴(kuò)大100倍的N值相乘，那么下一輪的執(zhí)行時(shí)間會(huì)超出1秒很多，于是go test用1秒與上一輪每次循環(huán)平均執(zhí)行時(shí)間一起估算出一個(gè)循環(huán)次數(shù)，即上面的65666582。
如果基準(zhǔn)測(cè)試僅運(yùn)行1秒，且在這1秒內(nèi)僅運(yùn)行10輪迭代，那么這些基準(zhǔn)測(cè)試運(yùn)行所得的平均值可能會(huì)有較高的標(biāo)準(zhǔn)偏差。如果基準(zhǔn)測(cè)試運(yùn)行了數(shù)百萬(wàn)或數(shù)十億次迭代，那么其所得平均值可能趨于準(zhǔn)確。要增加迭代次數(shù)，可以使用-benchtime命令行選項(xiàng)來(lái)增加基準(zhǔn)測(cè)試執(zhí)行的時(shí)間。
下面的例子中，我們通過go test的命令行參數(shù)-benchtime將1秒這個(gè)默認(rèn)性能基準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)執(zhí)行時(shí)間改為2秒：
$go test -bench . sequential_test.go -benchtime 2s ... goroutine[2] enter BenchmarkSequential: round[4], b.N[1000000] goroutine[2] enter loop in BenchmarkSequential: round[4], b.N[1000000] goroutine[2] exit BenchmarkSequential: round[4], b.N[1000000] goroutine[2] enter BenchmarkSequential: round[5], b.N[100000000] goroutine[2] enter loop in BenchmarkSequential: round[5], b.N[100000000] goroutine[2] exit BenchmarkSequential: round[5], b.N[100000000] 100000000 20.5 ns/op PASS ok command-line-arguments 2.075s
我們看到性能基準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)執(zhí)行時(shí)間改為2秒后，最終輪的b.N的值可以增大到100000000。
也可以通過-benchtime手動(dòng)指定b.N的值，這樣go test就會(huì)以你指定的N值作為最終輪的循環(huán)次數(shù)：
$go test -v -benchtime 5x -bench . sequential_test.go goos: darwin goarch: amd64 BenchmarkSequential goroutine[1] enter BenchmarkSequential: round[1], b.N[1] goroutine[1] enter loop in BenchmarkSequential: round[1], b.N[1] goroutine[1] exit BenchmarkSequential: round[1], b.N[1] goroutine[2] enter BenchmarkSequential: round[2], b.N[5] goroutine[2] enter loop in BenchmarkSequential: round[2], b.N[5] goroutine[2] exit BenchmarkSequential: round[2], b.N[5] BenchmarkSequential-8 5 5470 ns/op PASS ok command-line-arguments 0.006s
上面的每個(gè)性能基準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)（如BenchmarkSequential）雖然實(shí)際執(zhí)行了多輪，但也僅算一次執(zhí)行。有時(shí)候考慮到性能基準(zhǔn)測(cè)試單次執(zhí)行的數(shù)據(jù)不具代表性，我們可能會(huì)顯式要求go test多次執(zhí)行以收集多次數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法處理后的結(jié)果作為最終結(jié)果。通過-count命令行選項(xiàng)可以顯式指定每個(gè)性能基準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)執(zhí)行次數(shù)：
$go test -v -count 2 -bench . benchmark_intro_test.go goos: darwin goarch: amd64 BenchmarkConcatStringByOperator BenchmarkConcatStringByOperator-8 12665250 89.8 ns/op BenchmarkConcatStringByOperator-8 13099075 89.7 ns/op BenchmarkConcatStringBySprintf BenchmarkConcatStringBySprintf-8 2781075 433 ns/op BenchmarkConcatStringBySprintf-8 2662507 433 ns/op BenchmarkConcatStringByJoin BenchmarkConcatStringByJoin-8 23679480 49.1 ns/op BenchmarkConcatStringByJoin-8 24135014 49.6 ns/op PASS ok command-line-arguments 8.225s
上面的例子中每個(gè)性能基準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)都被執(zhí)行了兩次（當(dāng)然每次執(zhí)行實(shí)質(zhì)上都會(huì)運(yùn)行多輪，b.N不同），輸出了兩個(gè)結(jié)果。
2. 并行執(zhí)行的性能基準(zhǔn)測(cè)試
并行執(zhí)行的性能基準(zhǔn)測(cè)試的代碼寫法如下：
func BenchmarkXxx(b *testing.B) {
// ...
b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
// 被測(cè)對(duì)象的執(zhí)行代碼
}
}
}
并行執(zhí)行的基準(zhǔn)測(cè)試主要用于為包含多goroutine同步設(shè)施（如互斥鎖、讀寫鎖、原子操作等）的被測(cè)代碼建立性能基準(zhǔn)。相比于順序執(zhí)行的基準(zhǔn)測(cè)試，并行執(zhí)行的基準(zhǔn)測(cè)試更能真實(shí)反映出多goroutine情況下，被測(cè)代碼在goroutine同步上的真實(shí)消耗。比如下面這個(gè)例子：
// chapter8/sources/benchmark_paralell_demo_test.go
var n1 int64
func addSyncByAtomic(delta int64) int64 {
return atomic.AddInt64(&n1, delta)
}
func readSyncByAtomic() int64 {
return atomic.LoadInt64(&n1)
}
var n2 int64
var rwmu sync.RWMutex
func addSyncByMutex(delta int64) {
rwmu.Lock()
n2 += delta
rwmu.Unlock()
}
func readSyncByMutex() int64 {
var n int64
rwmu.RLock()
n = n2
rwmu.RUnlock()
return n
}
func BenchmarkAddSyncByAtomic(b *testing.B) {
b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
addSyncByAtomic(1)
}
})
}
func BenchmarkReadSyncByAtomic(b *testing.B) {
b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
readSyncByAtomic()
}
})
}
func BenchmarkAddSyncByMutex(b *testing.B) {
b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
addSyncByMutex(1)
}
})
}
func BenchmarkReadSyncByMutex(b *testing.B) {
b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
for pb.Next() {
readSyncByMutex()
}
})
}
運(yùn)行該性能基準(zhǔn)測(cè)試：
$go test -v -bench . benchmark_paralell_demo_test.go -cpu 2,4,8 goos: darwin goarch: amd64 BenchmarkAddSyncByAtomic BenchmarkAddSyncByAtomic-2 75208119 15.3 ns/op BenchmarkAddSyncByAtomic-4 70117809 17.0 ns/op BenchmarkAddSyncByAtomic-8 68664270 15.9 ns/op BenchmarkReadSyncByAtomic BenchmarkReadSyncByAtomic-2 1000000000 0.744 ns/op BenchmarkReadSyncByAtomic-4 1000000000 0.384 ns/op BenchmarkReadSyncByAtomic-8 1000000000 0.240 ns/op BenchmarkAddSyncByMutex BenchmarkAddSyncByMutex-2 37533390 31.4 ns/op BenchmarkAddSyncByMutex-4 21660948 57.5 ns/op BenchmarkAddSyncByMutex-8 16808721 72.6 ns/op BenchmarkReadSyncByMutex BenchmarkReadSyncByMutex-2 35535615 32.3 ns/op BenchmarkReadSyncByMutex-4 29839219 39.6 ns/op BenchmarkReadSyncByMutex-8 29936805 39.8 ns/op PASS ok command-line-arguments 12.454s
上面的例子中通過-cpu 2,4,8命令行選項(xiàng)告知go test將每個(gè)性能基準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)分別在GOMAXPROCS等于2、4、8的情況下各運(yùn)行一次。從測(cè)試的輸出結(jié)果，我們可以很容易地看出不同被測(cè)函數(shù)的性能隨著GOMAXPROCS增大之后的性能變化情況。
和順序執(zhí)行的性能基準(zhǔn)測(cè)試不同，并行執(zhí)行的性能基準(zhǔn)測(cè)試會(huì)啟動(dòng)多個(gè)goroutine并行執(zhí)行基準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)中的循環(huán)。這里也用一個(gè)例子來(lái)說明一下其執(zhí)行流程：
// chapter8/sources/benchmark-impl/paralell_test.go
var (
m map[int64]int = make(map[int64]int, 20)
mu sync.Mutex
round int64 = 1
)
func BenchmarkParalell(b *testing.B) {
fmt.Printf("\ngoroutine[%d] enter BenchmarkParalell: round[%d], b.N[%d]\n",
tls.ID(), atomic.LoadInt64(&round), b.N)
defer func() {
atomic.AddInt64(&round, 1)
}()
b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
id := tls.ID()
fmt.Printf("goroutine[%d] enter loop func in BenchmarkParalell: round[%d], b.N[%d]\n", tls.ID(), atomic.LoadInt64(&round), b.N)
for pb.Next() {
mu.Lock()
_, ok := m[id]
if !ok {
m[id] = 1
} else {
m[id] = m[id] + 1
}
mu.Unlock()
}
mu.Lock()
count := m[id]
mu.Unlock()
fmt.Printf("goroutine[%d] exit loop func in BenchmarkParalell: round[%d], loop[%d]\n", tls.ID(), atomic.LoadInt64(&round), count)
})
fmt.Printf("goroutine[%d] exit BenchmarkParalell: round[%d], b.N[%d]\n",
tls.ID(), atomic.LoadInt64(&round), b.N)
}
以-cpu=2運(yùn)行該例子：
$go test -v -bench . paralell_test.go -cpu=2 goos: darwin goarch: amd64 BenchmarkParalell goroutine[1] enter BenchmarkParalell: round[1], b.N[1] goroutine[2] enter loop func in BenchmarkParalell: round[1], b.N[1] goroutine[2] exit loop func in BenchmarkParalell: round[1], loop[1] goroutine[3] enter loop func in BenchmarkParalell: round[1], b.N[1] goroutine[3] exit loop func in BenchmarkParalell: round[1], loop[0] goroutine[1] exit BenchmarkParalell: round[1], b.N[1] goroutine[4] enter BenchmarkParalell: round[2], b.N[100] goroutine[5] enter loop func in BenchmarkParalell: round[2], b.N[100] goroutine[5] exit loop func in BenchmarkParalell: round[2], loop[100] goroutine[6] enter loop func in BenchmarkParalell: round[2], b.N[100] goroutine[6] exit loop func in BenchmarkParalell: round[2], loop[0] goroutine[4] exit BenchmarkParalell: round[2], b.N[100] goroutine[4] enter BenchmarkParalell: round[3], b.N[10000] goroutine[7] enter loop func in BenchmarkParalell: round[3], b.N[10000] goroutine[8] enter loop func in BenchmarkParalell: round[3], b.N[10000] goroutine[8] exit loop func in BenchmarkParalell: round[3], loop[4576] goroutine[7] exit loop func in BenchmarkParalell: round[3], loop[5424] goroutine[4] exit BenchmarkParalell: round[3], b.N[10000] goroutine[4] enter BenchmarkParalell: round[4], b.N[1000000] goroutine[9] enter loop func in BenchmarkParalell: round[4], b.N[1000000] goroutine[10] enter loop func in BenchmarkParalell: round[4], b.N[1000000] goroutine[9] exit loop func in BenchmarkParalell: round[4], loop[478750] goroutine[10] exit loop func in BenchmarkParalell: round[4], loop[521250] goroutine[4] exit BenchmarkParalell: round[4], b.N[1000000] goroutine[4] enter BenchmarkParalell: round[5], b.N[25717561] goroutine[11] enter loop func in BenchmarkParalell: round[5], b.N[25717561] goroutine[12] enter loop func in BenchmarkParalell: round[5], b.N[25717561] goroutine[12] exit loop func in BenchmarkParalell: round[5], loop[11651491] goroutine[11] exit loop func in BenchmarkParalell: round[5], loop[14066070] goroutine[4] exit BenchmarkParalell: round[5], b.N[25717561] BenchmarkParalell-2 25717561 43.6 ns/op PASS ok command-line-arguments 1.176s
我們看到，針對(duì)BenchmarkParalell基準(zhǔn)測(cè)試的每一輪執(zhí)行，go test都會(huì)啟動(dòng)GOMAXPROCS數(shù)量的新goroutine，這些goroutine共同執(zhí)行b.N次循環(huán)，每個(gè)goroutine會(huì)盡量相對(duì)均衡地分擔(dān)循環(huán)次數(shù)。
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