Java Stream API性能測試【轉載】

 

已經對Stream API的用法鼓吹夠多了,用起簡潔直觀,但性能到底怎麼樣呢?會不會有很高的性能損失?本節我們對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:

OS CentOS 6.7 x86_64
CPU Intel Xeon X5675, 12M Cache 3.06 GHz, 6 Cores 12 Threads
內存 96GB
JDK java version 1.8.0_91, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM

測試所用代碼在這裏,測試結果彙總.

測試方法和測試數據

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。集體到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。

實驗一 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:

perf_Stream_min_int

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代開銷(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:

perf_Stream_min_int_par

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。

實驗二 對象迭代

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:

perf_Stream_min_String

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代開銷(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:

perf_Stream_min_String_par

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。

實驗三 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:

perf_Stream_reduction

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:

perf_Stream_reduction_par

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。

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。

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