Java8 中用法優雅的 Stream 性能也"優雅"嗎？
- 2019 年 11 月 27 日
- 筆記
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程式設計師的生產力，讓程式設計師寫出高效率、乾淨、簡潔的程式碼。
那麼，Stream API的性能到底如何呢，程式碼整潔的背後是否意味著性能的損耗呢？本文我們對Stream API的性能一探究竟。
為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伺服器，配置如下：
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OS |
CentOS 6.7 x86_64 |
|---|---|
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CPU |
Intel Xeon X5675, 12M Cache 3.06 GHz, 6 Cores 12 Threads |
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記憶體 |
96GB |
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JDK |
java version 1.8.0_91, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM |
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，因為虛擬機對性能的影響很大，JVM對性能的影響有兩方面：
- GC的影響。GC的行為是Java中很不好控制的一塊，為增加確定性，我們手動指定使用CMS收集器，並使用10GB固定大小的堆記憶體。具體到JVM參數就是
-XX:+UseConcMarkSweepGC -Xms10G -Xmx10G - JIT(Just-In-Time)即時編譯技術。即時編譯技術會將熱點程式碼在JVM運行的過程中編譯成本地程式碼，測試時我們會先對程式預熱，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()得到的執行緒池，為控制並行度我們使用Linux的taskset命令指定JVM可用的核數。
測試數據由程式隨機生成。為防止一次測試帶來的抖動，測試4次求出平均時間作為運行時間。
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。
測試程式IntTest，測試結果如下圖：
圖中展示的是for循環外部迭代耗時為基準的時間比值。分析如下：
- 對於基本類型Stream串列迭代的性能開銷明顯高於外部迭代開銷（兩倍）；
- Stream並行迭代的性能比串列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，為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：
- 使用Stream並行API在單核情況下性能很差，比Stream串列API的性能還差；
- 隨著使用核數的增加，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串列迭代性能更差，但多核情況下Stream迭代時性能較好。
對象迭代
接下來我們再來看對象的迭代效果。
測試內容：找出字元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。
測試程式StringTest，測試結果如下圖：
結果分析如下：
- 對於對象類型Stream串列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。
- Stream並行迭代的性能比串列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：
- 使用Stream並行API在單核情況下性能比for循環外部迭代差；
- 隨著使用核數的增加，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串列迭代性能更差，但多核情況下Stream迭代時性能較好。
複雜對象歸約
從實驗一、二的結果來看，Stream串列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複雜的操作。
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。
我們將訂單簡化為<userName, price, timeStamp>構成的元組，並用Order對象來表示。測試程式ReductionTest，測試結果如下圖：
分析，對於複雜的歸約操作：
- 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：
img
分析，對於複雜的歸約操作：
- 使用Stream並行歸約在單核情況下性能比串列歸約以及手動歸約都要差，簡單說就是最差的；
- 隨著使用核數的增加，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串列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：
- 對於簡單操作，比如最簡單的遍歷，Stream串列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。
- 對於複雜操作，Stream串列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，
- 對於簡單操作推薦使用外部迭代手動實現
- 對於複雜操作，推薦使用Stream API，
- 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
如果出於程式碼簡潔性考慮，使用Stream API能夠寫出更短的程式碼。即使是從性能方面說，儘可能的使用Stream API也另外一個優勢，那就是只要Java Stream類庫做了升級優化，程式碼不用做任何修改就能享受到升級帶來的好處。
