詳解如何使用BenchmarkDotNet進(jìn)行.NET性能測(cè)試和優(yōu)化
BenchmarkDotNet是一個(gè)用于進(jìn)行性能基準(zhǔn)測(cè)試的開(kāi)源庫(kù)，可以幫助開(kāi)發(fā)者在.NET 應(yīng)用程序中測(cè)試代碼性能。它支持多種基準(zhǔn)測(cè)試類(lèi)型、輸出格式、自定義參數(shù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和可視化效果，并且對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)分析，生成詳細(xì)的報(bào)告。旨在提供一個(gè)簡(jiǎn)單易用且功能強(qiáng)大的工具來(lái)測(cè)量和分析代碼的性能。
BenchmarkDotNet具有以下主要特點(diǎn)：
簡(jiǎn)單易用：使用BenchmarkDotNet非常簡(jiǎn)單，只需定義一個(gè)包含待測(cè)試方法的類(lèi)，并使用Benchmark特性標(biāo)記這些方法。BenchmarkDotNet將自動(dòng)運(yùn)行這些方法，并提供詳細(xì)的性能分析報(bào)告。
支持多種測(cè)試場(chǎng)景：BenchmarkDotNet支持多種測(cè)試場(chǎng)景，包括方法級(jí)別的基準(zhǔn)測(cè)試、類(lèi)級(jí)別的基準(zhǔn)測(cè)試、內(nèi)存分配測(cè)試、多線程測(cè)試等。
強(qiáng)大的分析功能：BenchmarkDotNet提供了豐富的分析功能，可以生成各種性能指標(biāo)報(bào)告，如平均執(zhí)行時(shí)間、內(nèi)存使用情況、GC壓力等。它還支持將測(cè)試結(jié)果導(dǎo)出為CSV、JSON、Markdown等格式，方便進(jìn)一步分析和比較。
高度可配置：BenchmarkDotNet提供了豐富的配置選項(xiàng)，可以根據(jù)需求對(duì)測(cè)試進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。用戶(hù)可以設(shè)置測(cè)試運(yùn)行次數(shù)、迭代次數(shù)、預(yù)熱次數(shù)等參數(shù)，以及啟用禁用不同的分析器和報(bào)告器。
跨平臺(tái)支持：BenchmarkDotNet可以在Windows、Linux和MacOS等多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，并且支持多個(gè)不同的運(yùn)行時(shí)，如.NET Framework、.NET Core和Mono等。
下面介紹 BenchmarkDotNet 的基本使用方法和功能。
安裝和配置
BenchmarkDotNet 可以作為 NuGet 包安裝到項(xiàng)目中：
Install-Package BenchmarkDotNet
<ItemGroup>
<PackageReference Include="BenchmarkDotnet" Version="0.13.5" />
</ItemGroup>安裝完成后，在需要測(cè)試性能的類(lèi)上使用 [MemoryDiagnoser] 和 [Benchmark] 特性進(jìn)行標(biāo)記：
using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
[MemoryDiagnoser]
public class MyBenchmark
{
[Benchmark]
public void MyMethod1()
{
// test code
}
}
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
var summary = BenchmarkRunner.Run<MyBenchmark>();
}
}基準(zhǔn)測(cè)試類(lèi)型
BenchmarkDotNet 支持多種基準(zhǔn)測(cè)試類(lèi)型，具體包括以下幾類(lèi)：
- 迭代基準(zhǔn)測(cè)試（IterationBenchmark）：最基本的基準(zhǔn)測(cè)試類(lèi)型，用于測(cè)試一段代碼在一次迭代中的執(zhí)行時(shí)間。
- 操作基準(zhǔn)測(cè)試（OperationBenchmark）：在指定時(shí)間內(nèi)重復(fù)執(zhí)行某個(gè)操作，并計(jì)算每個(gè)操作的執(zhí)行時(shí)間。
- 參數(shù)化基準(zhǔn)測(cè)試（ParamBenchmark）：用于測(cè)試在不同參數(shù)或者數(shù)據(jù)集下的執(zhí)行時(shí)間，可以通過(guò) Attributes 來(lái)指定參數(shù)。
- 微基準(zhǔn)測(cè)試（Microbenchmark）：專(zhuān)門(mén)用于測(cè)試微小的代碼片段，如訪問(wèn)一個(gè)數(shù)組元素的速度等。
在實(shí)際測(cè)試中，開(kāi)發(fā)者根據(jù)自己的需求和測(cè)試場(chǎng)景選擇不同的測(cè)試類(lèi)型，并通過(guò) BenchmarkDotNet 提供的 API 和屬性進(jìn)行配置。例如，可以設(shè)置測(cè)試迭代次數(shù)、數(shù)據(jù)規(guī)模、運(yùn)行模式等參數(shù)，以使得測(cè)試結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。
SimpleJob 是 BenchmarkDotNet 中的一個(gè)屬性，用于指定基準(zhǔn)測(cè)試中的一些參數(shù)。下面是 SimpleJob 屬性的詳細(xì)解釋?zhuān)?/p>
- RunStrategy：指定 BenchmarkDotNet 運(yùn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)的策略，可選值為 ColdStart、Throughput 和 Monitoring。默認(rèn)值為 Throughput。
- LaunchCount：每個(gè)測(cè)試迭代執(zhí)行前啟動(dòng)進(jìn)程數(shù)，默認(rèn)值為 1。
- WarmupCount：每個(gè)測(cè)試迭代的預(yù)熱次數(shù)，默認(rèn)值為 5。
- TargetCount：每個(gè)測(cè)試迭代執(zhí)行的目標(biāo)操作次數(shù)，默認(rèn)值為 10。
- InvocationCount：每個(gè)測(cè)試迭代中操作的執(zhí)行次數(shù)，默認(rèn)值為 1。
- IterationTime：以秒為單位指定一個(gè)迭代的最大持續(xù)時(shí)間，默認(rèn)值為 1000 毫秒。
- MaxIterationCount：指定運(yùn)行迭代的最大數(shù)量，默認(rèn)值為 100。
- MaxWarmupIterationCount：指定預(yù)熱迭代的最大數(shù)量，默認(rèn)值為 10。
- Affinity：將線程綁定到特定的 CPU 核心上，可選值為 None、All、Even 或 Odd。默認(rèn)值為 None。
- Jit：指定編譯器的版本，可選值為 LegacyJit、RyuJit 或 Auto。默認(rèn)值為 Auto。
- Platform：指定基準(zhǔn)測(cè)試所在進(jìn)程的 CPU 架構(gòu)，可選值為 AnyCpu、X64 或 X86。默認(rèn)值為 AnyCpu。
- Runtime：指定基準(zhǔn)測(cè)試所使用的運(yùn)行時(shí)平臺(tái)，可選值為 Core、Clr 或 Mono。默認(rèn)值為 Core。
- TargetFrameworkMoniker：指定基準(zhǔn)測(cè)試所使用的 .NET Framework 版本，例如 .NET Framework 4.5、.NET Core 3.1 等。
- BaselineSwitch：指定一個(gè)命令行開(kāi)關(guān)，用于指示基準(zhǔn)測(cè)試是否作為一個(gè)基準(zhǔn)行測(cè)試來(lái)運(yùn)行。默認(rèn)值為 false。
- EnvironmentVariables：包含要傳遞給基準(zhǔn)測(cè)試進(jìn)程的環(huán)境變量字典。
- Categories：指定分類(lèi)列表，以便在基準(zhǔn)測(cè)試報(bào)告中對(duì)測(cè)試進(jìn)行分組。
在類(lèi)上使用 [SimpleJob] 特性進(jìn)行標(biāo)記，并指定相應(yīng)的測(cè)試類(lèi)型：
using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Jobs;
[SimpleJob(RuntimeMoniker.NetCoreApp50, baseline: true)]
[SimpleJob(RuntimeMoniker.NetCoreApp31)]
[SimpleJob(RuntimeMoniker.Net472)]
public class MyBenchmark
{
// test methods
}輸出格式
BenchmarkDotNet 支持多種輸出格式，包括以下幾種：
- Brief：輸出簡(jiǎn)潔的摘要信息，包括測(cè)試名稱(chēng)、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
- Default：輸出詳細(xì)的測(cè)試結(jié)果，包括測(cè)試名稱(chēng)、測(cè)試方法、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、原始測(cè)試數(shù)據(jù)、吞吐量和分布圖等。
- Csv：輸出 CSV 格式的測(cè)試結(jié)果，方便后續(xù)處理和比較。
- Html：輸出 HTML 格式的測(cè)試結(jié)果，支持自定義格式、樣式和交互效果。
- RPlot：輸出 R 語(yǔ)言腳本和圖形，方便進(jìn)行高級(jí)統(tǒng)計(jì)和可視化分析。
可以在類(lèi)上使用 [MarkdownExporterAttribute.Default] 等特性進(jìn)行標(biāo)記，并指定相應(yīng)的輸出格式：
using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Exporters;
using BenchmarkDotNet.Loggers;
[MarkdownExporterAttribute.Default]
[HtmlExporter]
[AsciiDocExporter]
public class MyBenchmark
{
// test methods
}自定義參數(shù)
BenchmarkDotNet 支持多種自定義參數(shù)，包括以下幾種：
- Job：指定運(yùn)行測(cè)試的環(huán)境和條件，如運(yùn)行時(shí)版本、平臺(tái)、垃圾回收器等。
- IterationCount：指定每個(gè)測(cè)試的迭代次數(shù)，以便獲得更精確的數(shù)據(jù)點(diǎn)和穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
- WarmupCount：指定每個(gè)測(cè)試的預(yù)熱次數(shù)，以便使 JIT 編譯器預(yù)熱運(yùn)行時(shí)環(huán)境。
- LaunchCount：指定每個(gè)測(cè)試的啟動(dòng)次數(shù)，以便消除瞬時(shí)啟動(dòng)時(shí)間的影響。
- Accuracy：指定測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。
- Baseline：指定基準(zhǔn)測(cè)試方法，以便作為比較對(duì)象。
- Order：指定測(cè)試方法的執(zhí)行順序。
可以在類(lèi)上使用 [Params]、[ParamsSource] 或 [ArgumentsSource] 特性進(jìn)行標(biāo)記，并指定相應(yīng)的參數(shù)：
using System.Collections.Generic;
using BenchmarkDotNet.Attributes;
public class MyBenchmark
{
[Params(10, 100, 1000)]
public int N;
[ParamsSource(nameof(GetData))]
public int Data;
public IEnumerable<int> GetData() => new[] { 1, 2, 3 };
[ArgumentsSource(nameof(GetParams))]
public void MyMethod(int x, int y)
{
// test code
}
public IEnumerable<object[]> GetParams() =>
new List<object[]>
{
new object[] { 1, 2 },
new object[] { 3, 4 },
new object[] { 5, 6 }
};
}統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和可視化效果
BenchmarkDotNet 對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)分析，生成多種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和可視化效果，包括以下幾種：
- Mean：平均值，表示總體的中心趨勢(shì)水平。
- StdDev：標(biāo)準(zhǔn)差，表示總體的離散程度和穩(wěn)定性。
- Median：中位數(shù)，表示排序后的中間值。
- Q1/Q3：第一/三四分位數(shù)，表示排序后的上/下四分之一位置的值。
- Max/Min：最大/最小值，表示排序后的極端值。
- Percentiles：百分位數(shù)，表示排序后的特定位置的值。
- Histogram：直方圖，表示測(cè)試結(jié)果的頻率分布情況。
- Boxplot：箱線圖，表示測(cè)試結(jié)果的五項(xiàng)摘要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和異常值。
- Summary：摘要信息，表示測(cè)試結(jié)果的主要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和可信區(qū)間。
可以在運(yùn)行測(cè)試后查看控制臺(tái)輸出和生成的報(bào)告文件，以便了解測(cè)試結(jié)果的詳細(xì)信息和分析結(jié)果。
實(shí)戰(zhàn)案例
以下是一個(gè)使用BenchmarkDotNet進(jìn)行冒泡排序和快速排序性能測(cè)試的示例：
using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System;
public class SortingBenchmark
{
private int[] array;
[Params(1000, 10000, 100000)] // 定義不同規(guī)模的數(shù)組作為參數(shù)
public int ArraySize { get; set; }
[GlobalSetup]
public void Setup()
{
// 初始化待排序的數(shù)組
array = new int[ArraySize];
Random random = new Random();
for (int i = 0; i < ArraySize; i++)
{
array[i] = random.Next();
}
}
[Benchmark]
public void BubbleSort()
{
// 冒泡排序算法實(shí)現(xiàn)
for (int i = 0; i < ArraySize - 1; i++)
{
for (int j = 0; j < ArraySize - i - 1; j++)
{
if (array[j] > array[j + 1])
{
int temp = array[j];
array[j] = array[j + 1];
array[j + 1] = temp;
}
}
}
}
[Benchmark]
public void QuickSort()
{
// 快速排序算法實(shí)現(xiàn)
QuickSort(array, 0, ArraySize - 1);
}
private void QuickSort(int[] arr, int low, int high)
{
if (low < high)
{
int pivot = Partition(arr, low, high);
QuickSort(arr, low, pivot - 1);
QuickSort(arr, pivot + 1, high);
}
}
private int Partition(int[] arr, int low, int high)
{
int pivot = arr[high];
int i = low - 1;
for (int j = low; j < high; j++)
{
if (arr[j] < pivot)
{
i++;
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[j];
arr[j] = temp;
}
}
int temp2 = arr[i + 1];
arr[i + 1] = arr[high];
arr[high] = temp2;
return i + 1;
}
}
public class Program
{
public static void Main(string[] args)
{
var summary = BenchmarkRunner.Run<SortingBenchmark>();
}
}在上面的示例中，我們首先定義了一個(gè)名為`SortingBenchmark`的類(lèi)，并在其中使用`Params`特性定義了不同規(guī)模的數(shù)組作為參數(shù)。然后，在`GlobalSetup`方法中，我們初始化了待排序的數(shù)組。
接下來(lái)，我們使用`Benchmark`特性分別標(biāo)記了冒泡排序和快速排序的測(cè)試方法`BubbleSort`和`QuickSort`。在這兩個(gè)方法中，我們分別實(shí)現(xiàn)了冒泡排序和快速排序的算法。
最后，在`Main`方法中，我們使用`BenchmarkRunner.Run`方法來(lái)運(yùn)行基準(zhǔn)測(cè)試，并生成性能分析報(bào)告。
運(yùn)行上述代碼后，BenchmarkDotNet將自動(dòng)運(yùn)行冒泡排序和快速排序的測(cè)試方法，并生成包含性能分析報(bào)告的輸出。可以根據(jù)需要調(diào)整數(shù)組規(guī)模和其他配置參數(shù)，以獲取更詳細(xì)的性能分析結(jié)果。
另外在輸出目錄下，BenchmarkDotnet 會(huì)輸出性能測(cè)試結(jié)果文件：
打開(kāi) html 版本后看到的跟剛才控制臺(tái)的是一樣的
以上是 BenchmarkDotNet 的基本使用方法和功能。BenchmarkDotNet 有著豐富的 API 和調(diào)整參數(shù)的選項(xiàng)，可以進(jìn)行高級(jí)性能分析和可視化效果。它可以幫助開(kāi)發(fā)人員優(yōu)化和改進(jìn)代碼，并提升應(yīng)用程序的性能和穩(wěn)定性。
