Java 8中用法優雅的Stream，性能也"優雅"嗎？

之前的文章中我們介紹了Java 8中Stream相關的API，我們提到Stream API可以極大提高Java程序員的生產力，讓程序員寫出高效率、乾淨、簡潔的代碼。

那麼，Stream API的性能到底如何呢，代碼整潔的背後是否意味着性能的損耗呢？本文我們對Stream API的性能一探究竟。

爲保證測試結果真實可信，我們將JVM運行在-server模式下，測試數據在GB量級，測試機器採用常見的商用服務器，配置如下：

一、測試方法與數據

性能測試並不是容易的事，Java性能測試更費勁，因爲虛擬機對性能的影響很大，JVM對性能的影響有兩方面：

1. GC的影響。GC的行爲是Java中很不好控制的一塊，爲增加確定性，我們手動指定使用CMS收集器，並使用10GB固定大小的堆內存。具體到JVM參數就是-XX:+UseConcMarkSweepGC -Xms10G -Xmx10G

2. JIT(Just-In-Time)即時編譯技術。即時編譯技術會將熱點代碼在JVM運行的過程中編譯成本地代碼，測試時我們會先對程序預熱，觸發對測試函數的即時編譯。相關的JVM參數是-XX:CompileThreshold=10000。

Stream並行執行時用到ForkJoinPool.commonPool()得到的線程池，爲控制並行度我們使用Linux的taskset命令指定JVM可用的核數。

測試數據由程序隨機生成。爲防止一次測試帶來的抖動，測試4次求出平均時間作爲運行時間。

二、基本類型迭代

測試內容：找出整型數組中的最小值。對比for循環外部迭代和Stream API內部迭代性能。

測試程序IntTest，測試結果如下圖：

圖中展示的是for循環外部迭代耗時爲基準的時間比值。分析如下：

1. 對於基本類型Stream串行迭代的性能開銷明顯高於外部迭×××銷（兩倍）；

2. Stream並行迭代的性能比串行迭代和外部迭代都好。

並行迭代性能跟可利用的核數有關，上圖中的並行迭代使用了全部12個核，爲考察使用核數對性能的影響，我們專門測試了不同核數下的Stream並行迭代效果：

分析，對於基本類型：

1. 使用Stream並行API在單核情況下性能很差，比Stream串行API的性能還差；

2. 隨着使用核數的增加，Stream並行效果逐漸變好，比使用for循環外部迭代的性能還好。

以上兩個測試說明，對於基本類型的簡單迭代，Stream串行迭代性能更差，但多核情況下Stream迭代時性能較好。

三、對象迭代

接下來我們再來看對象的迭代效果。

測試內容：找出字符串列表中最小的元素（自然順序），對比for循環外部迭代和Stream API內部迭代性能。

測試程序StringTest，測試結果如下圖：

結果分析如下：

1. 對於對象類型Stream串行迭代的性能開銷仍然高於外部迭×××銷（1.5倍），但差距沒有基本類型那麼大。

2. Stream並行迭代的性能比串行迭代和外部迭代都好。

再來單獨考察Stream並行迭代效果：

分析，對於對象類型：

1. 使用Stream並行API在單核情況下性能比for循環外部迭代差；

2. 隨着使用核數的增加，Stream並行效果逐漸變好，多核帶來的效果明顯。

以上兩個測試說明，對於對象類型的簡單迭代，Stream串行迭代性能更差，但多核情況下Stream迭代時性能較好。

四、複雜對象歸約

從實驗一、二的結果來看，Stream串行執行的效果都比外部迭代差（很多），是不是說明Stream真的不行了？先別下結論，我們再來考察一下更復雜的操作。

測試內容：給定訂單列表，統計每個用戶的總交易額。對比使用外部迭代手動實現和Stream API之間的性能。

我們將訂單簡化爲<userName, price, timeStamp>構成的元組，並用Order對象來表示。測試程序ReductionTest，測試結果如下圖：

分析，對於複雜的歸約操作：

1. Stream API的性能普遍好於外部手動迭代，並行Stream效果更佳；

再來考察並行度對並行效果的影響，測試結果如下：

分析，對於複雜的歸約操作：

1. 使用Stream並行歸約在單核情況下性能比串行歸約以及手動歸約都要差，簡單說就是最差的；

2. 隨着使用核數的增加，Stream並行效果逐漸變好，多核帶來的效果明顯。

以上兩個實驗說明，對於複雜的歸約操作，Stream串行歸約效果好於手動歸約，在多核情況下，並行歸約效果更佳。我們有理由相信，對於其他複雜的操作，Stream API也能表現出相似的性能表現。

五、結論

上述三個實驗的結果可以總結如下：

1. 對於簡單操作，比如最簡單的遍歷，Stream串行API性能明顯差於顯示迭代，但並行的Stream API能夠發揮多核特性。

2. 對於複雜操作，Stream串行API性能可以和手動實現的效果匹敵，在並行執行時Stream API效果遠超手動實現。

所以，如果出於性能考慮，

1. 對於簡單操作推薦使用外部迭代手動實現

2. 對於複雜操作，推薦使用Stream API，

3. 在多核情況下，推薦使用並行Stream API來發揮多核優勢

4.單核情況下不建議使用並行Stream API

如果出於代碼簡潔性考慮，使用Stream API能夠寫出更短的代碼。即使是從性能方面說，儘可能的使用Stream API也另外一個優勢，那就是隻要Java Stream類庫做了升級優化，代碼不用做任何修改就能享受到升級帶來的好處。