Go 语言基准测试入门

标签：入门基准内存测试 Go 性能 op

之前在写 Java 的文章的时候，如果想在本地进行某段代码的性能测试（通常是对比另外一段或者几段），就会用到基准测试框架 JMH ，也的确非常好用。虽然我学习 Go 语言有一段时间了，对于基准测试还没有涉猎，下面就分享Go 语言的基准测试入门实践。

什么是基准测试

基准测试（Benchmarking）是一种通过执行预定任务来测量系统或代码性能的测试方法，主要目的是评估软件在特定负载和条件下的表现，常常关注运行时间、内存消耗、吞吐量和延迟等指标。在开发过程中，基准测试用于量化代码的性能差异，帮助开发者识别性能瓶颈并为优化提供有力的数据支持。

它的主要用途在于评估性能、监测性能回归、指导优化以及比较不同技术或方案。通过基准测试，开发者可以准确了解不同实现方案的性能表现，确保优化过程中不会引入性能退化的问题，确保代码在实际场景下的表现符合预期。基准测试的结果为找到性能瓶颈提供了数据依据，避免盲目优化的风险。

在性能优化中，基准测试的作用尤为重要。它不仅能提供清晰的定量分析，让优化决策基于真实的数据，而非直觉或经验，还能帮助快速发现代码中的性能瓶颈，如某个函数或 I/O 操作的效率低下。此外，基准测试也可以验证优化后的效果，通过对比前后的数据，判断所做的更改是否真正提升了性能。同时，基准测试还可以融入到持续集成和持续交付的流程中，确保系统在长期演进中的性能稳定性。

Go 语言的基准测试

Go 语言的基准测试用于评估代码的性能表现，尤其是函数和操作的执行时间。它通过多次运行相同的代码片段，计算平均耗时，提供准确的测试结果。基准测试常用于比较不同实现方案、验证优化效果，确保代码在不同场景下的效率，并能够检测性能回归。

此外，Go 的基准测试支持设置不同的输入条件，模拟实际负载，帮助开发者全面评估代码性能。它还能追踪内存分配情况，发现潜在的内存问题。基准测试生成的报告为优化提供了有力的数据支持，使开发者能更有效地识别瓶颈并进行改进。

testing.B 是 Go 语言中的一个结构体，用于基准测试，专门用于测量代码的性能。它提供了执行基准测试的必要工具，例如控制测试运行的次数、记录执行时间、追踪内存分配等。在使用 testing.B 进行基准测试时，Go 会自动多次运行测试代码，以确保结果的稳定性和准确性，帮助开发者准确评估代码的性能表现并发现优化机会。

基准测试实践

编写规范

在开始之前，我们先来看看 Go 语言的基准测试用例编写过程中，需要遵循的一些规范。在 Go 语言中，编写基准测试时遵循一定的规范是非常重要的，这有助于确保测试的准确性、可读性和可维护性。以下是一些基准测试编写的基本规范：

命名规范：基准测试函数应以 Benchmark 开头，后跟被测试功能的描述。命名应清晰明了，以便他人理解其测试的内容。例如：BenchmarkFunctionName。
使用 testing.B：基准测试的参数必须是 *testing.B 类型，利用其提供的方法来执行性能测试。
循环测试：在基准测试中，使用 b.N 来控制循环次数，确保基准测试运行足够多次，以获取稳定的性能数据。b.N 的值由 Go 的测试框架自动管理，以避免人为干预。
避免副作用：基准测试应避免具有副作用的操作，确保每次运行的结果不受外部因素影响。确保测试函数中的代码是可重复执行的。
资源清理：如果基准测试中使用了需要清理的资源（如文件、网络连接等），应在测试结束后确保资源得到妥善处理，尽量使用 defer 语句来保证清理操作的执行。

代码实践

下面我通过一些简单的例子展示 Go 语言基准测试的 code，我用了两种字符串拼接的方法来演示。

package test  
  
import (  
    "strings"  
    "testing")  
  
// 基准测试示例：测试使用 + 运算符连接字符串的性能  
func BenchmarkStringConcat(b *testing.B) {  
    setConfig(b)  
    str1 := "Hello"  
    str2 := "FunTester"  
    for i := 0; i < b.N; i++ {  
       _ = str1 + str2  
    }  
}  
  
// 基准测试示例：测试使用 strings.Builder 连接字符串的性能  
func BenchmarkStringBuilder(b *testing.B) {  
    setConfig(b)  
    str1 := "Hello"  
    str2 := "FunTester"  
    for i := 0; i < b.N; i++ {  
       var builder strings.Builder  
       builder.WriteString(str1)  
       builder.WriteString(str2)  
       _ = builder.String()  
    }  
}  
  
func setConfig(b *testing.B) {  
    b.SetParallelism(4) // 设置并行测试的 goroutine 数量  
    b.ReportAllocs()    // 开启内存分配跟踪  
    b.SetBytes(1024)    // 设置每次操作处理的字节数  
}

我们可以直接在 IDE 中执行，也可以通过以下命令行执行 benchmark 基准测试。

go test -bench . -cpu 1,2,4,8,12

控制台输出：

goos: darwin
goarch: arm64
pkg: tempProject/test
BenchmarkStringConcat-2         100000000               11.61 ns/op     88166.09 MB/s          0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkStringConcat-4         100000000               11.71 ns/op     87425.82 MB/s          0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkStringConcat-8         100000000               11.62 ns/op     88098.01 MB/s          0 B/op          0 allocs/op
BenchmarkStringBuilder-2        34372545                33.96 ns/op     30155.42 MB/s         24 B/op          2 allocs/op
BenchmarkStringBuilder-4        35140291                33.75 ns/op     30341.89 MB/s         24 B/op          2 allocs/op
BenchmarkStringBuilder-8        34851384                33.99 ns/op     30129.57 MB/s         24 B/op          2 allocs/op
PASS
ok      tempProject/test        7.951s

测试报告解读

测试报告的解读可以从以下几个方面进行分析：

环境信息：

goos: darwin：表示操作系统是 macOS（Darwin 是 macOS 的核心）。
goarch: arm64：表示运行的架构是 ARM64（常见于苹果的 M1 和 M2 芯片）。
pkg: tempProject/test：表示基准测试运行在 tempProject/test 包中。

基准测试结果：

每一行结果的格式如下：

BenchmarkName-N 总运行次数平均耗时吞吐量内存使用内存分配次数

基准测试：

BenchmarkStringConcat-2：使用 + 运算符连接字符串，运行 100,000,000 次，平均耗时 11.61 ns/op，吞吐量 88166.09 MB/s，内存使用 0 B/op，内存分配次数 0 allocs/op。
BenchmarkStringConcat-4：相似的性能，平均耗时 11.71 ns/op，吞吐量稍低 87425.82 MB/s。
BenchmarkStringConcat-8：表现相近，平均耗时 11.62 ns/op，吞吐量 88098.01 MB/s。

测试结论

性能对比：BenchmarkStringConcat 的性能明显优于 BenchmarkStringBuilder，适合用于简单字符串连接的场景。
内存管理：BenchmarkStringConcat 没有进行任何内存分配，而 BenchmarkStringBuilder 则有一定的内存使用和分配次数，显示出在性能敏感的环境中，选择合适的字符串连接方式至关重要。
测试时长：整个测试运行的时间为 7.951s，这个时间在基准测试中是合理的，表明测试的复杂度和工作量适中。

通过以上测试，可以帮助我们在实际项目中选择合适的字符串操作方式，以优化性能和内存使用。

testing.B 常用 API

在 Go 语言的基准测试中，*testing.B 提供了一系列常用的 API，帮助我们进行高效的性能测试和评估。以下是一些常用的 *testing.B 方法及其功能：

b.N：这是一个整数值，表示基准测试要执行的循环次数。开发者在基准测试中通常使用 b.N 来控制代码的执行次数，以获取稳定的性能数据。
b.ResetTimer()：在基准测试中，可以调用此方法重置计时器。这在需要进行一些初始化操作后，确保不将这些操作的时间计入基准测试时非常有用。
b.StopTimer()：此方法用于停止基准测试的计时。可以在测试中使用此方法来排除某些不需要计入测试时间的操作，例如初始化或清理操作。
b.StartTimer()：用于重新启动计时器。当需要停止计时并进行某些不希望计入测试的操作后，可以通过此方法恢复计时。
b.ReportAllocs()：调用此方法可以在基准测试结束时报告内存分配情况。如果希望监测内存的使用情况，可以在基准测试开始时调用此方法。
b.Log(args ...interface{})：该方法允许开发者在基准测试中记录信息，类似于 fmt.Println。它可以用于调试或输出测试过程中获取的某些特定数据。
b.SetBytes(n int64)：此方法用于设置测试中处理的数据大小，以便在报告中显示吞吐量时提供更准确的信息。通常用于计算每个操作处理的字节数。
b.Run(name string, f func(b *B))：这个方法允许在基准测试中运行子基准测试。这样可以组织复杂的基准测试结构，同时提供更好的结果分析。

通过合理利用这些 API，开发者可以更灵活、高效地编写基准测试，从而准确评估和优化代码性能。

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