BenchmarkDotNet是一個(gè)用于進(jìn)行性能基準(zhǔn)測(cè)試的開源庫，可以幫助開發(fā)者在.NET 應(yīng)用程序中測(cè)試代碼性能。它支持多種基準(zhǔn)測(cè)試類型、輸出格式、自定義參數(shù)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和可視化效果，并且對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)分析，生成詳細(xì)的報(bào)告。旨在提供一個(gè)簡單易用且功能強(qiáng)大的工具來測(cè)量和分析代碼的性能。

BenchmarkDotNet具有以下主要特點(diǎn)：

簡單易用：使用BenchmarkDotNet非常簡單，只需定義一個(gè)包含待測(cè)試方法的類，并使用Benchmark特性標(biāo)記這些方法。BenchmarkDotNet將自動(dòng)運(yùn)行這些方法，并提供詳細(xì)的性能分析報(bào)告。

支持多種測(cè)試場(chǎng)景：BenchmarkDotNet支持多種測(cè)試場(chǎng)景，包括方法級(jí)別的基準(zhǔn)測(cè)試、類級(jí)別的基準(zhǔn)測(cè)試、內(nèi)存分配測(cè)試、多線程測(cè)試等。

強(qiáng)大的分析功能：BenchmarkDotNet提供了豐富的分析功能，可以生成各種性能指標(biāo)報(bào)告，如平均執(zhí)行時(shí)間、內(nèi)存使用情況、GC壓力等。它還支持將測(cè)試結(jié)果導(dǎo)出為CSV、JSON、Markdown等格式，方便進(jìn)一步分析和比較。

高度可配置：BenchmarkDotNet提供了豐富的配置選項(xiàng)，可以根據(jù)需求對(duì)測(cè)試進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。用戶可以設(shè)置測(cè)試運(yùn)行次數(shù)、迭代次數(shù)、預(yù)熱次數(shù)等參數(shù)，以及啟用禁用不同的分析器和報(bào)告器。

跨平臺(tái)支持：BenchmarkDotNet可以在Windows、Linux和MacOS等多個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行，并且支持多個(gè)不同的運(yùn)行時(shí)，如.NET Framework、.NET Core和Mono等。

下面介紹 BenchmarkDotNet 的基本使用方法和功能。

安裝和配置

BenchmarkDotNet 可以作為 NuGet 包安裝到項(xiàng)目中：

Install-Package BenchmarkDotNet

  <ItemGroup>
    <PackageReference Include="BenchmarkDotnet" Version="0.13.5" />
  </ItemGroup>

安裝完成后，在需要測(cè)試性能的類上使用 [MemoryDiagnoser] 和 [Benchmark] 特性進(jìn)行標(biāo)記：

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;

[MemoryDiagnoser]

public class MyBenchmark
{
    [Benchmark]
    public void MyMethod1()
    {
        // test code
    }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var summary = BenchmarkRunner.Run<MyBenchmark>();
    }
}

基準(zhǔn)測(cè)試類型

BenchmarkDotNet 支持多種基準(zhǔn)測(cè)試類型，具體包括以下幾類：

• 迭代基準(zhǔn)測(cè)試（IterationBenchmark）：最基本的基準(zhǔn)測(cè)試類型，用于測(cè)試一段代碼在一次迭代中的執(zhí)行時(shí)間。
• 操作基準(zhǔn)測(cè)試（OperationBenchmark）：在指定時(shí)間內(nèi)重復(fù)執(zhí)行某個(gè)操作，并計(jì)算每個(gè)操作的執(zhí)行時(shí)間。
• 參數(shù)化基準(zhǔn)測(cè)試（ParamBenchmark）：用于測(cè)試在不同參數(shù)或者數(shù)據(jù)集下的執(zhí)行時(shí)間，可以通過 Attributes 來指定參數(shù)。
• 微基準(zhǔn)測(cè)試（Microbenchmark）：專門用于測(cè)試微小的代碼片段，如訪問一個(gè)數(shù)組元素的速度等。

在實(shí)際測(cè)試中，開發(fā)者根據(jù)自己的需求和測(cè)試場(chǎng)景選擇不同的測(cè)試類型，并通過 BenchmarkDotNet 提供的 API 和屬性進(jìn)行配置。例如，可以設(shè)置測(cè)試迭代次數(shù)、數(shù)據(jù)規(guī)模、運(yùn)行模式等參數(shù)，以使得測(cè)試結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠。

SimpleJob 是 BenchmarkDotNet 中的一個(gè)屬性，用于指定基準(zhǔn)測(cè)試中的一些參數(shù)。下面是 SimpleJob 屬性的詳細(xì)解釋：

• RunStrategy：指定 BenchmarkDotNet 運(yùn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)的策略，可選值為 ColdStart、Throughput 和 Monitoring。默認(rèn)值為 Throughput。
• LaunchCount：每個(gè)測(cè)試迭代執(zhí)行前啟動(dòng)進(jìn)程數(shù)，默認(rèn)值為 1。
• WarmupCount：每個(gè)測(cè)試迭代的預(yù)熱次數(shù)，默認(rèn)值為 5。
• TargetCount：每個(gè)測(cè)試迭代執(zhí)行的目標(biāo)操作次數(shù)，默認(rèn)值為 10。
• InvocationCount：每個(gè)測(cè)試迭代中操作的執(zhí)行次數(shù)，默認(rèn)值為 1。
• IterationTime：以秒為單位指定一個(gè)迭代的最大持續(xù)時(shí)間，默認(rèn)值為 1000 毫秒。
• MaxIterationCount：指定運(yùn)行迭代的最大數(shù)量，默認(rèn)值為 100。
• MaxWarmupIterationCount：指定預(yù)熱迭代的最大數(shù)量，默認(rèn)值為 10。
• Affinity：將線程綁定到特定的 CPU 核心上，可選值為 None、All、Even 或 Odd。默認(rèn)值為 None。
• Jit：指定編譯器的版本，可選值為 LegacyJit、RyuJit 或 Auto。默認(rèn)值為 Auto。
• Platform：指定基準(zhǔn)測(cè)試所在進(jìn)程的 CPU 架構(gòu)，可選值為 AnyCpu、X64 或 X86。默認(rèn)值為 AnyCpu。
• Runtime：指定基準(zhǔn)測(cè)試所使用的運(yùn)行時(shí)平臺(tái)，可選值為 Core、Clr 或 Mono。默認(rèn)值為 Core。
• TargetFrameworkMoniker：指定基準(zhǔn)測(cè)試所使用的 .NET Framework 版本，例如 .NET Framework 4.5、.NET Core 3.1 等。
• BaselineSwitch：指定一個(gè)命令行開關(guān)，用于指示基準(zhǔn)測(cè)試是否作為一個(gè)基準(zhǔn)行測(cè)試來運(yùn)行。默認(rèn)值為 false。
• EnvironmentVariables：包含要傳遞給基準(zhǔn)測(cè)試進(jìn)程的環(huán)境變量字典。
• Categories：指定分類列表，以便在基準(zhǔn)測(cè)試報(bào)告中對(duì)測(cè)試進(jìn)行分組。

在類上使用 [SimpleJob] 特性進(jìn)行標(biāo)記，并指定相應(yīng)的測(cè)試類型：

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Jobs;

[SimpleJob(RuntimeMoniker.NetCoreApp50, baseline: true)]
[SimpleJob(RuntimeMoniker.NetCoreApp31)]
[SimpleJob(RuntimeMoniker.Net472)]
public class MyBenchmark
{
    // test methods
}

輸出格式

BenchmarkDotNet 支持多種輸出格式，包括以下幾種：

• Brief：輸出簡潔的摘要信息，包括測(cè)試名稱、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
• Default：輸出詳細(xì)的測(cè)試結(jié)果，包括測(cè)試名稱、測(cè)試方法、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、原始測(cè)試數(shù)據(jù)、吞吐量和分布圖等。
• Csv：輸出 CSV 格式的測(cè)試結(jié)果，方便后續(xù)處理和比較。
• Html：輸出 HTML 格式的測(cè)試結(jié)果，支持自定義格式、樣式和交互效果。
• RPlot：輸出 R 語言腳本和圖形，方便進(jìn)行高級(jí)統(tǒng)計(jì)和可視化分析。

可以在類上使用 [MarkdownExporterAttribute.Default] 等特性進(jìn)行標(biāo)記，并指定相應(yīng)的輸出格式：

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Exporters;
using BenchmarkDotNet.Loggers;

[MarkdownExporterAttribute.Default]
[HtmlExporter]
[AsciiDocExporter]

public class MyBenchmark
{
    // test methods
}

自定義參數(shù)

BenchmarkDotNet 支持多種自定義參數(shù)，包括以下幾種：

• Job：指定運(yùn)行測(cè)試的環(huán)境和條件，如運(yùn)行時(shí)版本、平臺(tái)、垃圾回收器等。
• IterationCount：指定每個(gè)測(cè)試的迭代次數(shù)，以便獲得更精確的數(shù)據(jù)點(diǎn)和穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
• WarmupCount：指定每個(gè)測(cè)試的預(yù)熱次數(shù)，以便使 JIT 編譯器預(yù)熱運(yùn)行時(shí)環(huán)境。
• LaunchCount：指定每個(gè)測(cè)試的啟動(dòng)次數(shù)，以便消除瞬時(shí)啟動(dòng)時(shí)間的影響。
• Accuracy：指定測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。
• Baseline：指定基準(zhǔn)測(cè)試方法，以便作為比較對(duì)象。
• Order：指定測(cè)試方法的執(zhí)行順序。

可以在類上使用 [Params]、[ParamsSource] 或 [ArgumentsSource] 特性進(jìn)行標(biāo)記，并指定相應(yīng)的參數(shù)：

using System.Collections.Generic;
using BenchmarkDotNet.Attributes;

public class MyBenchmark
{
    [Params(10, 100, 1000)]
    public int N;

    [ParamsSource(nameof(GetData))]
    public int Data;

    public IEnumerable<int> GetData() => new[] { 1, 2, 3 };

    [ArgumentsSource(nameof(GetParams))]
    public void MyMethod(int x, int y)
    {
        // test code
    }

    public IEnumerable<object[]> GetParams() =>
        new List<object[]>
        {
            new object[] { 1, 2 },
            new object[] { 3, 4 },
            new object[] { 5, 6 }
        };
}

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和可視化效果

BenchmarkDotNet 對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)分析，生成多種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和可視化效果，包括以下幾種：

• Mean：平均值，表示總體的中心趨勢(shì)水平。
• StdDev：標(biāo)準(zhǔn)差，表示總體的離散程度和穩(wěn)定性。
• Median：中位數(shù)，表示排序后的中間值。
• Q1/Q3：第一/三四分位數(shù)，表示排序后的上/下四分之一位置的值。
• Max/Min：最大/最小值，表示排序后的極端值。
• Percentiles：百分位數(shù)，表示排序后的特定位置的值。
• Histogram：直方圖，表示測(cè)試結(jié)果的頻率分布情況。
• Boxplot：箱線圖，表示測(cè)試結(jié)果的五項(xiàng)摘要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和異常值。
• Summary：摘要信息，表示測(cè)試結(jié)果的主要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和可信區(qū)間。

可以在運(yùn)行測(cè)試后查看控制臺(tái)輸出和生成的報(bào)告文件，以便了解測(cè)試結(jié)果的詳細(xì)信息和分析結(jié)果。

實(shí)戰(zhàn)案例

以下是一個(gè)使用BenchmarkDotNet進(jìn)行冒泡排序和快速排序性能測(cè)試的示例：

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Running;
using System;

public class SortingBenchmark
{
    private int[] array;

    [Params(1000, 10000, 100000)] // 定義不同規(guī)模的數(shù)組作為參數(shù)
    public int ArraySize { get; set; }

    [GlobalSetup]
    public void Setup()
    {
        // 初始化待排序的數(shù)組
        array = new int[ArraySize];
        Random random = new Random();
        for (int i = 0; i < ArraySize; i++)
        {
            array[i] = random.Next();
        }
    }

    [Benchmark]
    public void BubbleSort()
    {
        // 冒泡排序算法實(shí)現(xiàn)
        for (int i = 0; i < ArraySize - 1; i++)
        {
            for (int j = 0; j < ArraySize - i - 1; j++)
            {
                if (array[j] > array[j + 1])
                {
                    int temp = array[j];
                    array[j] = array[j + 1];
                    array[j + 1] = temp;
                }
            }
        }
    }

    [Benchmark]
    public void QuickSort()
    {
        // 快速排序算法實(shí)現(xiàn)
        QuickSort(array, 0, ArraySize - 1);
    }

    private void QuickSort(int[] arr, int low, int high)
    {
        if (low < high)
        {
            int pivot = Partition(arr, low, high);

            QuickSort(arr, low, pivot - 1);
            QuickSort(arr, pivot + 1, high);
        }
    }

    private int Partition(int[] arr, int low, int high)
    {
        int pivot = arr[high];
        int i = low - 1;

        for (int j = low; j < high; j++)
        {
            if (arr[j] < pivot)
            {
                i++;

                int temp = arr[i];
                arr[i] = arr[j];
                arr[j] = temp;
            }
        }

        int temp2 = arr[i + 1];
        arr[i + 1] = arr[high];
        arr[high] = temp2;

        return i + 1;
    }
}

public class Program
{
    public static void Main(string[] args)
    {
        var summary = BenchmarkRunner.Run<SortingBenchmark>();
    }
}

在上面的示例中，我們首先定義了一個(gè)名為`SortingBenchmark`的類，并在其中使用`Params`特性定義了不同規(guī)模的數(shù)組作為參數(shù)。然后，在`GlobalSetup`方法中，我們初始化了待排序的數(shù)組。

接下來，我們使用`Benchmark`特性分別標(biāo)記了冒泡排序和快速排序的測(cè)試方法`BubbleSort`和`QuickSort`。在這兩個(gè)方法中，我們分別實(shí)現(xiàn)了冒泡排序和快速排序的算法。

最后，在`Main`方法中，我們使用`BenchmarkRunner.Run`方法來運(yùn)行基準(zhǔn)測(cè)試，并生成性能分析報(bào)告。

運(yùn)行上述代碼后，BenchmarkDotNet將自動(dòng)運(yùn)行冒泡排序和快速排序的測(cè)試方法，并生成包含性能分析報(bào)告的輸出?？梢愿鶕?jù)需要調(diào)整數(shù)組規(guī)模和其他配置參數(shù)，以獲取更詳細(xì)的性能分析結(jié)果。

另外在輸出目錄下，BenchmarkDotnet 會(huì)輸出性能測(cè)試結(jié)果文件：

打開 html 版本后看到的跟剛才控制臺(tái)的是一樣的

以上是 BenchmarkDotNet 的基本使用方法和功能。BenchmarkDotNet 有著豐富的 API 和調(diào)整參數(shù)的選項(xiàng)，可以進(jìn)行高級(jí)性能分析和可視化效果。它可以幫助開發(fā)人員優(yōu)化和改進(jìn)代碼，并提升應(yīng)用程序的性能和穩(wěn)定性。