对Stream API的用法鼓吹够多了,但性能到底怎么样呢?

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作者:Carpenter Lee github.com/CarpenterLee/JavaLambdaInternals

github.com/CarpenterLee/JavaLambdaInternals

Stream Performance

已经对Stream API的用法鼓吹够多了,用起简洁直观,但性能到底怎么样呢?会不会有很高的性能损失?本节我们对Stream API的性能一探究竟。

为保证测试结果真实可信,我们将JVM运行在 -server模式下,测试数据在GB量级,测试机器采用常见的商用服务器,配置如下:

对Stream API的用法鼓吹够多了,但性能到底怎么样呢?

测试所用代码在这里,测试结果汇总.

https://github.com/CarpenterLee/JavaLambdaInternals/tree/master/perf/StreamBenchmark/src/lee

测试方法和测试数据

性能测试并不是容易的事,Java性能测试更费劲,因为虚拟机对性能的影响很大,JVM对性能的影响有两方面:

  • **GC的影响。**GC的行为是Java中很不好控制的一块,为增加确定性,我们手动指定使用CMS收集器,并使用10GB固定大小的堆内存。具体到JVM参数就是`-XX:+UseConcMarkSweepGC -Xms10G -Xmx10G`
  • **JIT(Just-In-Time)即时编译技术。**即时编译技术会将热点代码在JVM运行的过程中编译成本地代码,测试时我们会先对程序预热,触发对测试函数的即时编译。相关的JVM参数是`-XX:CompileThreshold=10000`。
  • Stream并行执行时用到 ForkJoinPool.commonPool()得到的线程池,为控制并行度我们使用Linux的 taskset命令指定JVM可用的核数。

    测试数据由程序随机生成。为防止一次测试带来的抖动,测试4次求出平均时间作为运行时间。

    实验一 基本类型迭代

    测试内容:找出整型数组中的最小值。对比for循环外部迭代和Stream API内部迭代性能。

    测试程序IntTest,测试结果如下图:

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    图中展示的是for循环外部迭代耗时为基准的时间比值。分析如下:

  • 对于基本类型Stream串行迭代的性能开销明显高于外部迭代开销(两倍);
  • Stream并行迭代的性能比串行迭代和外部迭代都好。
  • 并行迭代性能跟可利用的核数有关,上图中的并行迭代使用了全部12个核,为考察使用核数对性能的影响,我们专门测试了不同核数下的Stream并行迭代效果:

    对Stream API的用法鼓吹够多了,但性能到底怎么样呢?

    分析,对于基本类型:

  • 使用Stream并行API在单核情况下性能很差,比Stream串行API的性能还差;
  • 随着使用核数的增加,Stream并行效果逐渐变好,比使用for循环外部迭代的性能还好。
  • 以上两个测试说明,对于基本类型的简单迭代,Stream串行迭代性能更差,但多核情况下Stream迭代时性能较好。

    实验二 对象迭代

    再来看对象的迭代效果。

    测试内容:找出字符串列表中最小的元素(自然顺序),对比for循环外部迭代和Stream API内部迭代性能。

    测试程序StringTest,测试结果如下图:

    对Stream API的用法鼓吹够多了,但性能到底怎么样呢?

    结果分析如下:

  • 对于对象类型Stream串行迭代的性能开销仍然高于外部迭代开销(1.5倍),但差距没有基本类型那么大。
  • Stream并行迭代的性能比串行迭代和外部迭代都好。
  • 再来单独考察Stream并行迭代效果:

    对Stream API的用法鼓吹够多了,但性能到底怎么样呢?

    分析,对于对象类型:

  • 使用Stream并行API在单核情况下性能比for循环外部迭代差;
  • 随着使用核数的增加,Stream并行效果逐渐变好,多核带来的效果明显。
  • 以上两个测试说明,对于对象类型的简单迭代,Stream串行迭代性能更差,但多核情况下Stream迭代时性能较好。

    实验三 复杂对象归约

    从实验一、二的结果来看,Stream串行执行的效果都比外部迭代差(很多),是不是说明Stream真的不行了?先别下结论,我们再来考察一下更复杂的操作。

    测试内容:给定订单列表,统计每个用户的总交易额。对比使用外部迭代手动实现和Stream API之间的性能。

    我们将订单简化为 userName, price, timeStamp构成的元组,并用 Order对象来表示。测试程序ReductionTest,测试结果如下图:

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    分析,对于复杂的归约操作:

  • Stream API的性能普遍好于外部手动迭代,并行Stream效果更佳;
  • 再来考察并行度对并行效果的影响,测试结果如下:

    对Stream API的用法鼓吹够多了,但性能到底怎么样呢?

    分析,对于复杂的归约操作:

  • 使用Stream并行归约在单核情况下性能比串行归约以及手动归约都要差,简单说就是最差的;
  • 随着使用核数的增加,Stream并行效果逐渐变好,多核带来的效果明显。
  • 以上两个实验说明,对于复杂的归约操作,Stream串行归约效果好于手动归约,在多核情况下,并行归约效果更佳。我们有理由相信,对于其他复杂的操作,Stream API也能表现出相似的性能表现。

    结论

    上述三个实验的结果可以总结如下:

  • 对于简单操作,比如最简单的遍历,Stream串行API性能明显差于显示迭代,但并行的Stream API能够发挥多核特性。
  • 对于复杂操作,Stream串行API性能可以和手动实现的效果匹敌,在并行执行时Stream API效果远超手动实现。
  • 所以,如果出于性能考虑,1. 对于简单操作推荐使用外部迭代手动实现,2. 对于复杂操作,推荐使用Stream API, 3. 在多核情况下,推荐使用并行Stream API来发挥多核优势,4.单核情况下不建议使用并行Stream API。

    如果出于代码简洁性考虑,使用Stream API能够写出更短的代码。即使是从性能方面说,尽可能的使用Stream API也另外一个优势,那就是只要Java Stream类库做了升级优化,代码不用做任何修改就能享受到升级带来的好处。

    END

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