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基准测试
本节重点讨论如何使用 Go 测试框架构建一个有效的基准测试，并提供一些实用的技巧来避免性能缺陷。
基准测试的基本规则
在进行基准测试之前，我们必须要有一个稳定的环境来获得可重现的结果。
- 机器必须是空闲的——不要运行在共享硬件上，在长时间运行基准测试时不要进行其他操作
- 注意节电和热缩放（主要指 CPU 受温度影响导致频率不稳定）
- 避免虚拟机和共享云托管; 它们太乱，无法进行一致的测量。
如果你负担得起，最好购买专用的性能测试硬件。并禁用所有电源管理和热缩放，保持机器上的软件版本不变。
对于其他人，请使用前后样本并多次运行它们以获得一致的结果。
使用测试包进行基准测试
testing 包已经内置了支持基准测试的能力. 比如你有一个简单的函数：
// 此函数计算斐波那契数列中第 N 个数字
func Fib(n int) int {
switch n {
case 0:
return 0
case 1:
return 1
default:
return Fib(n-1) + Fib(n-2)
}
}我们可以使用 testing 包以如下形式为此函数写一个基准测试。基准测试函数也写在以 _test.go 结尾的文件里，它和test函数共存.
func BenchmarkFib20(b *testing.B) {
for n := 0; n < b.N; n++ {
Fib(20) // 运行 Fib 函数 N 次
}
}基准测试和普通单元测试类似。 唯一的区别是基准测试接收的参数是*testing.B 而不是 *testing.T。 这两种类型都实现了 testing.TB 接口，这个接口提供了一些比较常用的方法 Errorf(), Fatalf(), and FailNow()。
运行包的基准测试
因为基准测试使用testing 包，它们同样通过 go test 命令执行。但是，默认情况下，当你调用go test时，基准测试是不执行的。
要显式地执行基准测试请使用 -bench 标识。 -bench 接收一个与待运行的基准测试名称相匹配的正则表达式，因此，如果要运行包中所有的基准测试，最常见的方法是这样写 -bench=.。例如:
% go test -bench=. ./examples/fib/
goos: darwin
goarch: amd64
BenchmarkFib20-8 30000 44514 ns/op
PASS
ok _/Users/dfc/devel/gophercon2018-performance-tuning-workshop/2-benchmarking/examples/fib 1.795s注意 : go test 会在运行基准测试之前之前执行包里所有的单元测试，所有如果你的包里有很多单元测试，或者它们会运行很长时间，你也可以通过 go test 的-run 标识排除这些单元测试，不让它们执行； 比如： go test -run=^$。
基准测试的工作原理
基准测试函数会被一直调用直到b.N无效，它是基准测试循环的次数
b.N 从 1 开始，如果基准测试函数在1秒内就完成 (默认值)，则 b.N 增加，并再次运行基准测试函数。
b.N 在近似这样的序列中不断增加；1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 100 等等。 基准框架试图变得聪明，如果它看到当b.N较小而且测试很快就完成的时候，它将让序列增加地更快。
看上面的例子， BenchmarkFib20-8 发现约 30000 次迭代只需要1秒钟。 From there the benchmark framework computed that
注意 : The -8 后缀和用于运行次测试的 GOMAXPROCS 值有关。 与GOMAXPROCS一样，此数字默认为启动时Go进程可见的CPU数。 你可以使用-cpu标识更改此值，可以传入多个值以列表形式来运行基准测试。
% go test -bench=. -cpu=1,2,4 ./examples/fib/
goos: darwin
goarch: amd64
BenchmarkFib20 30000 44644 ns/op
BenchmarkFib20-2 30000 44504 ns/op
BenchmarkFib20-4 30000 44848 ns/op
PASS提高基准测试的精度
fib 函数是一个模拟的例子 — 除非你编写 TechPower 服务器基准测试来验证，否则你的业务不太可能是你计算斐波那契数列中第20个数字的速度。 但是，基准确实展现了我认为有效的基准。
具体来说，当你的基准测试运行几千次迭代的时候，我们可以认为获得了一个每次运行的平均值，而如果基准测试只运行几十次，那么这个平均值很可能不稳定，也就不能说明问题。
要增加迭代次数，可以使用-benchtime标识增加运行时间，例如
% go test -bench=. -benchtime=10s ./examples/fib/
goos: darwin
goarch: amd64
BenchmarkFib20-8 300000 44616 ns/op运行一个相同的基准测试，直到它到达b.N的值，运行时间超过10秒。当我们运行时间是10倍的时候，迭代次数也会增加到10倍。然而每一次执行的结果却没有什么变化，这正是我们所预期的。
如果你有一个基准测试，它运行数百万次或数十亿次迭代，每次操作的时间都在微秒或纳秒级，那么你可能会发现基准测试结果不稳定，因为热缩放、内存局部性、后台处理、gc活动等等。
对于每次操作是以10或个位数纳秒为单位计算的函数来说，指令重新排序和代码对齐的相对效应都将对结果产生影响。
可以使用-count 标识多次运行基准测试来解决这个问题：
% go test -bench=Fib1 -count=10 ./examples/fib/
goos: darwin
goarch: amd64
BenchmarkFib1-8 2000000000 1.99 ns/op
BenchmarkFib1-8 1000000000 1.95 ns/op
BenchmarkFib1-8 2000000000 1.99 ns/op
BenchmarkFib1-8 2000000000 1.97 ns/op
BenchmarkFib1-8 2000000000 1.99 ns/op
BenchmarkFib1-8 2000000000 1.96 ns/op
BenchmarkFib1-8 2000000000 1.99 ns/op
BenchmarkFib1-8 2000000000 2.01 ns/op
BenchmarkFib1-8 2000000000 1.99 ns/op
BenchmarkFib1-8 1000000000 2.00 ns/op得出Fib(1)的基准测试在2纳秒左右，方差为正负2%.
提示 : 如果你发现需要针对特定的包调整不同的默认值，我建议使用Makefile中完成这些设定，这样每个想要运行基准测试的人都可以使用相同的配置进行编码。
Benchstat
在上一节中，我建议多次运行基准测试以获得更多的平均数据。对于任何基准测试来说，这都是一个很好的建议，因为测试过程会受到电源管理、后台进程和热管理的影响，这个问题我在本章的开头已经提到过。
下面我将介绍一个由 Russ Cox 编写的测试工具 benchstat
% go get golang.org/x/perf/cmd/benchstatBenchstat 可以获取一组基准测试数据，并告诉你它的稳定性如何。以下是使用电池时的数据：
% go test -bench=Fib20 -count=10 ./examples/fib/ | tee old.txt
goos: darwin
goarch: amd64
BenchmarkFib20-8 30000 46295 ns/op
BenchmarkFib20-8 30000 41589 ns/op
BenchmarkFib20-8 30000 42204 ns/op
BenchmarkFib20-8 30000 43923 ns/op
BenchmarkFib20-8 30000 44339 ns/op
BenchmarkFib20-8 30000 45340 ns/op
BenchmarkFib20-8 30000 45754 ns/op
BenchmarkFib20-8 30000 45373 ns/op
BenchmarkFib20-8 30000 44283 ns/op
BenchmarkFib20-8 30000 43812 ns/op
PASS
ok _/Users/dfc/devel/gophercon2018-performance-tuning-workshop/2-benchmarking/examples/fib 17.865s
% benchstat old.txt
name time/op
Fib20-8 44.3µs ± 6%benchstat 告诉我们，平均值为44.3微秒，样本间的波动区间为正负 6％。 这对电池电量来说在意料之中。
- 第一次运行是最慢的，因为操作系统的 CPU 时钟频率已经降低以节省功耗。
- 接下来的两次运行是最快的，因为操作系统识别到有一个较大的工作负载加入，就会提高 CPU 时钟速度，以尽快通过工作。
- 剩下的是当 CPU 高速运转发热，因为功耗导致又被限制，所以又慢了下来。
对比标准 benchmarks 和 benchstat
确定两组基准测试结果之间的差异可能是单调乏味且容易出错的。 Benchstat 可以帮助我们解决这个问题。
提示 : 保存基准运行的输出很有用，但你也可以保存生成它的二进制文件。 为此，请使用-c标志来保存测试二进制文件；我经常将这个二进制文件从.test重命名为.golden。
% go test -c
% mv fib.test fib.golden 提升 Fib 性能
先前的Fib函数对斐波纳契数列中的第0和第1个数字进行了硬编码。 之后，代码以递归方式调用自身。 我们将在后边讨论递归的代价，但目前，假设它有代价，特别当我们的算法是指数级复杂度的时候。
要解决这个问题，最简单的方法就是硬编码斐波那契数列中的另一个数字，将每次调用的深度减少一个。
func Fib(n int) int {
switch n {
case 0:
return 0
case 1:
return 1
case 2:
return 1
default:
return Fib(n-1) + Fib(n-2)
}
}为了比较我们的新版本，我们编译了一个新的测试二进制文件并对它们都进行了基准测试，并使用benchstat对输出进行比较。
% go test -c
% ./fib.golden -test.bench=. -test.count=10 > old.txt
% ./fib.test -test.bench=. -test.count=10 > new.txt
% benchstat old.txt new.txt
name old time/op new time/op delta
Fib20-8 44.3µs ± 6% 25.6µs ± 2% -42.31% (p=0.000 n=10+10)比较基准测试时需要检查三件事
- 新老两次的方差。1-2% 是不错的， 3-5% 也还行，但是大于5%的话，可能不太可靠。 在比较一方具有高差异的基准时要小心，您可能看不到改进。
- p值。p值低于0.05是比较好的情况，大于0.05则意味着基准测试结果可能没有统计学意义。
- 样本不足。benchstat将报告它认为有效的新旧样本的数量，有时你可能只发现9个报告，即使你设置了
-count=10。拒绝率小于10%一般是没问题的，而高于10%可能表明你的设置是不稳定的，也可能是比较的样本太少了。
避免基准测试的启动成本
有时候每次基准测试运行前都有一些初始化操作。 b.ResetTimer()将让你跳过这些运行时间。
func BenchmarkExpensive(b *testing.B) {
boringAndExpensiveSetup()
b.ResetTimer() // HL
for n := 0; n < b.N; n++ {
// 被测试的功能
}
}如果每次循环迭代内部都有一些高成本的其他逻辑，请使用b.StopTimer()和b.StartTimer()来暂停基准计时器。
func BenchmarkComplicated(b *testing.B) {
for n := 0; n < b.N; n++ {
b.StopTimer() // HL
complicatedSetup()
b.StartTimer() // HL
// 被测试的功能
}
}内存分配的基准测试
分配计数和大小与基准测试的执行时间密切相关。 你可以告诉测试框架记录被测代码所做的分配数量。
func BenchmarkRead(b *testing.B) {
b.ReportAllocs()
for n := 0; n < b.N; n++ {
// 被测试的功能
}
}以下是使用bufio软件包基准测试的示例：
% go test -run=^$ -bench=. bufio
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: bufio
BenchmarkReaderCopyOptimal-8 20000000 103 ns/op
BenchmarkReaderCopyUnoptimal-8 10000000 159 ns/op
BenchmarkReaderCopyNoWriteTo-8 500000 3644 ns/op
BenchmarkReaderWriteToOptimal-8 5000000 344 ns/op
BenchmarkWriterCopyOptimal-8 20000000 98.6 ns/op
BenchmarkWriterCopyUnoptimal-8 10000000 131 ns/op
BenchmarkWriterCopyNoReadFrom-8 300000 3955 ns/op
BenchmarkReaderEmpty-8 2000000 789 ns/op 4224 B/op 3 allocs/op
BenchmarkWriterEmpty-8 2000000 683 ns/op 4096 B/op 1 allocs/op
BenchmarkWriterFlush-8 100000000 17.0 ns/op 0 B/op 0 allocs/op注意 : 想对所有基准测试都生效，你也可以使用go test -benchmem标识。
% go test -run=^$ -bench=. -benchmem bufio
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: bufio
BenchmarkReaderCopyOptimal-8 20000000 93.5 ns/op 16 B/op 1 allocs/op
BenchmarkReaderCopyUnoptimal-8 10000000 155 ns/op 32 B/op 2 allocs/op
BenchmarkReaderCopyNoWriteTo-8 500000 3238 ns/op 32800 B/op 3 allocs/op
BenchmarkReaderWriteToOptimal-8 5000000 335 ns/op 16 B/op 1 allocs/op
BenchmarkWriterCopyOptimal-8 20000000 96.7 ns/op 16 B/op 1 allocs/op
BenchmarkWriterCopyUnoptimal-8 10000000 124 ns/op 32 B/op 2 allocs/op
BenchmarkWriterCopyNoReadFrom-8 500000 3219 ns/op 32800 B/op 3 allocs/op
BenchmarkReaderEmpty-8 2000000 748 ns/op 4224 B/op 3 allocs/op
BenchmarkWriterEmpty-8 2000000 662 ns/op 4096 B/op 1 allocs/op
BenchmarkWriterFlush-8 100000000 16.9 ns/op 0 B/op 0 allocs/op
PASS
ok bufio 20.366s注意编译优化
这个例子来自 issue 14813。
const m1 = 0x5555555555555555
const m2 = 0x3333333333333333
const m4 = 0x0f0f0f0f0f0f0f0f
const h01 = 0x0101010101010101
func popcnt(x uint64) uint64 {
x -= (x >> 1) & m1
x = (x & m2) + ((x >> 2) & m2)
x = (x + (x >> 4)) & m4
return (x * h01) >> 56
}
func BenchmarkPopcnt(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
popcnt(uint64(i))
}
}你觉得这个基准测试会有多快？让我们来看看。
% go test -bench=. ./examples/popcnt/
goos: darwin
goarch: amd64
BenchmarkPopcnt-8 2000000000 0.30 ns/op
PASS0.3 纳秒，这基本上是一个时钟周期。即使假设CPU每个时钟周期内会执行多条指令，这个数字似乎也不合理地低。 发生了什么？
要了解发生了什么，我们必须看看benchmark下的函数popcnt。 popcnt是一个叶子函数 – 它不调用任何其他函数 – 因此编译器可以内联它。
因为函数是内联的，所以编译器现在可以看到它没有副作用。 popcnt不会影响任何全局变量的状态。 这样，调用就被消除了。 这是编译器看到的：
func BenchmarkPopcnt(b *testing.B) {
for i := 0; i < b.N; i++ {
// 优化了
}
}在所有版本的Go编译器上，仍然会生成循环。 但是英特尔CPU非常擅长优化循环，尤其是空循环。
优化是一件好事
需要去掉的是，通过删除不必要的计算使真正的代码快速运行的优化，与删除没有明显副作用的基准测试的优化是相同的。
随着Go编译器的改进，这只会变得更加普遍。
修复基准测试
要修复此基准测试，我们必须确保编译器无法检验BenchmarkPopcnt的主体不会导致全局状态发生变化。
var Result uint64
func BenchmarkPopcnt(b *testing.B) {
var r uint64
for i := 0; i < b.N; i++ {
r = popcnt(uint64(i))
}
Result = r
}这是确保编译器无法优化循环体的推荐方法。
首先，我们通过将调用popcnt的结果存储在r中。 然后，当测试基准结束时，r在BenchmarkPopcnt的范围内被声明，r的结果对于程序的另一部分是不可见的，所以最终，我们将r值赋给包级别的公共变量Result。
因为Result是公共的，所以编译器无法证明导入此类的另一个包将无法看到Result随时间变化的值，因此它无法优化导致其赋值的任何操作。
错误的基准测试
for 循环对基准测试的执行非常重要
下面是两个错误的的基准测试例子：
func BenchmarkFibWrong(b *testing.B) {
Fib(b.N)
}func BenchmarkFibWrong2(b *testing.B) {
for n := 0; n < b.N; n++ {
Fib(n)
}
}结果是，它们会一直执行下去
分析基准测试的结果
testing包内置了支持生成CPU，内存和块的profile文件。
-
-cpuprofile=$FILE将 CPU 分析结果写入$FILE. -
-memprofile=$FILE将内存分析结果写入$FILE,-memprofilerate=N调整记录速率为1/N. -
-blockprofile=$FILE, 将块分析结果写入$FILE.
使用这些标识中的任何一个同时都会保留二进制文件。
% go test -run=XXX -bench=. -cpuprofile=c.p bytes
% go tool pprof c.p