testing - 基准测试

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2023-12-01

在 _test.go 结尾的测试文件中，如下形式的函数：

func BenchmarkXxx(*testing.B)

被认为是基准测试，通过 "go test" 命令，加上 -bench flag 来执行。多个基准测试按照顺序运行。

基准测试函数样例看起来如下所示：

func BenchmarkHello(b *testing.B) {
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        fmt.Sprintf("hello")
    }
}

基准函数会运行目标代码 b.N 次。在基准执行期间，会调整 b.N 直到基准测试函数持续足够长的时间。输出

BenchmarkHello    10000000    282 ns/op

意味着循环执行了 10000000 次，每次循环花费 282 纳秒(ns)。

如果在运行前基准测试需要一些耗时的配置，则可以先重置定时器：

func BenchmarkBigLen(b *testing.B) {
    big := NewBig()
    b.ResetTimer()
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        big.Len()
    }
}

如果基准测试需要在并行设置中测试性能，则可以使用 RunParallel 辅助函数; 这样的基准测试一般与 go test -cpu 标志一起使用：

func BenchmarkTemplateParallel(b *testing.B) {
    templ := template.Must(template.New("test").Parse("Hello, {{.}}!"))
    b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
    	 // 每个 goroutine 有属于自己的 bytes.Buffer.
        var buf bytes.Buffer
        for pb.Next() {
        	  // 所有 goroutine 一起，循环一共执行 b.N 次
            buf.Reset()
            templ.Execute(&buf, "World")
        }
    })
}

基准测试示例

接着上一节的例子，我们对 Fib 进行基准测试：

func BenchmarkFib10(b *testing.B) {
        for n := 0; n < b.N; n++ {
                Fib(10)
        }
}

执行 go test -bench=.，输出：

$ go test -bench=.
BenchmarkFib10-4   	 3000000	       424 ns/op
PASS
ok  	chapter09/testing	1.724s

这里测试了 Fib(10) 的情况，我们可能需要测试更多不同的情况，这时可以改写我们的测试代码：

func BenchmarkFib1(b *testing.B)  { benchmarkFib(1, b) }
func BenchmarkFib2(b *testing.B)  { benchmarkFib(2, b) }
func BenchmarkFib3(b *testing.B)  { benchmarkFib(3, b) }
func BenchmarkFib10(b *testing.B) { benchmarkFib(10, b) }
func BenchmarkFib20(b *testing.B) { benchmarkFib(20, b) }
func BenchmarkFib40(b *testing.B) { benchmarkFib(40, b) }

func benchmarkFib(i int, b *testing.B) {
	for n := 0; n < b.N; n++ {
		Fib(i)
	}
}

再次执行 go test -bench=.，输出：

$ go test -bench=.
BenchmarkFib1-4               	1000000000	         2.58 ns/op
BenchmarkFib2-4               	200000000	         7.38 ns/op
BenchmarkFib3-4               	100000000	        13.0 ns/op
BenchmarkFib10-4              	 3000000	       429 ns/op
BenchmarkFib20-4              	   30000	     54335 ns/op
BenchmarkFib40-4              	       2	 805759850 ns/op
PASS
ok  	chapter09/testing	15.361s

默认情况下，每个基准测试最少运行 1 秒。如果基准测试函数返回时，还不到 1 秒钟，b.N 的值会按照序列 1,2,5,10,20,50,... 增加，同时再次运行基准测测试函数。

我们注意到 BenchmarkFib40 一共才运行 2 次。为了更精确的结果，我们可以通过增加标志 -benchtime 来它运行更多次。

$ go test -bench=Fib40 -benchtime=20s
BenchmarkFib40-4   	      30	 838675800 ns/op

B 类型

B 是传递给基准测试函数的一种类型，它用于管理基准测试的计时行为，并指示应该迭代地运行测试多少次。

一个基准测试在它的基准测试函数返回时，又或者在它的基准测试函数调用 FailNow、Fatal、Fatalf、SkipNow、Skip 或者 Skipf 中的任意一个方法时，测试即宣告结束。至于其他报告方法，比如 Log 和 Error 的变种，则可以在其他 goroutine 中同时进行调用。

跟单元测试一样，基准测试会在执行的过程中积累日志，并在测试完毕时将日志转储到标准错误。但跟单元测试不一样的是，为了避免基准测试的结果受到日志打印操作的影响，基准测试总是会把日志打印出来。

B 类型中的报告方法使用方式和 T 类型是一样的，一般来说，基准测试中也不需要使用，毕竟主要是测性能。这里我们对 B 类型中其他的一些方法进行讲解。

计时方法

有三个方法用于计时：

StartTimer：开始对测试进行计时。该方法会在基准测试开始时自动被调用，我们也可以在调用 StopTimer 之后恢复计时；
StopTimer：停止对测试进行计时。当你需要执行一些复杂的初始化操作，并且你不想对这些操作进行测量时，就可以使用这个方法来暂时地停止计时。
ResetTimer：对已经逝去的基准测试时间以及内存分配计数器进行清零。对于正在运行中的计时器，这个方法不会产生任何效果。本节开头有使用示例。

并行执行

通过 RunParallel 方法以并行的方式执行给定的基准测试。RunParallel 会创建出多个 goroutine，并将 b.N 分配给这些 goroutine 执行，其中 goroutine 数量的默认值为 GOMAXPROCS。用户如果想要增加非CPU受限（non-CPU-bound）基准测试的并行性，那么可以在 RunParallel 之前调用 SetParallelism（如 SetParallelism(2)，则 goroutine 数量为 2*GOMAXPROCS）。RunParallel 通常会与 -cpu 标志一同使用。

body 函数将在每个 goroutine 中执行，这个函数需要设置所有 goroutine 本地的状态，并迭代直到 pb.Next 返回 false 值为止。因为 StartTimer、StopTime 和 ResetTimer 这三个方法都带有全局作用，所以 body 函数不应该调用这些方法；除此之外，body 函数也不应该调用 Run 方法。

具体的使用示例，在本节开头已经提供！

内存统计

ReportAllocs 方法用于打开当前基准测试的内存统计功能，与 go test 使用 -benchmem 标志类似，但 ReportAllocs 只影响那些调用了该函数的基准测试。

测试示例：

func BenchmarkTmplExucte(b *testing.B) {
	b.ReportAllocs()
	templ := template.Must(template.New("test").Parse("Hello, {{.}}!"))
	b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
		// Each goroutine has its own bytes.Buffer.
		var buf bytes.Buffer
		for pb.Next() {
			// The loop body is executed b.N times total across all goroutines.
			buf.Reset()
			templ.Execute(&buf, "World")
		}
	})
}

测试结果类似这样：

BenchmarkTmplExucte-4   	 2000000	       898 ns/op	     368 B/op	       9 allocs/op

基准测试结果

对

BenchmarkTmplExucte-4   	 2000000	       898 ns/op	     368 B/op	       9 allocs/op

中的每一项，你是否都清楚是什么意思呢？

testing 包中的 BenchmarkResult 类型能为你提供帮助。它保存了基准测试的结果。

它的定义如下：

type BenchmarkResult struct {
    N         int           // The number of iterations. 即 b.N
    T         time.Duration // The total time taken. 基准测试花费的时间
    Bytes     int64         // Bytes processed in one iteration. 一次迭代处理的字节数，通过 b.SetBytes 设置
    MemAllocs uint64        // The total number of memory allocations. 总的分配内存的次数
    MemBytes  uint64        // The total number of bytes allocated. 总的分配内存的字节数
}

该类型还提供了相应的计算每个操作每秒相应指标的方法。示例如下：

package main

import (
	"bytes"
	"fmt"
	"testing"
	"text/template"
)

func main() {
	benchmarkResult := testing.Benchmark(func(b *testing.B) {
		templ := template.Must(template.New("test").Parse("Hello, {{.}}!"))
		// RunParallel will create GOMAXPROCS goroutines
		// and distribute work among them.
		b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
			// Each goroutine has its own bytes.Buffer.
			var buf bytes.Buffer
			for pb.Next() {
				// The loop body is executed b.N times total across all goroutines.
				buf.Reset()
				templ.Execute(&buf, "World")
			}
		})
	})

	// fmt.Printf("%8d\t%10d ns/op\t%10d B/op\t%10d allocs/op\n", benchmarkResult.N, benchmarkResult.NsPerOp(), benchmarkResult.AllocedBytesPerOp(), benchmarkResult.AllocsPerOp())
	fmt.Printf("%s\t%s\n", benchmarkResult.String(), benchmarkResult.MemString())
}