详解如何使用BenchmarkDotNet进行.NET性能测试和优化

BenchmarkDotNet是一个用于进行性能基准测试的开源库，可以帮助开发者在.NET 应用程序中测试代码性能。它支持多种基准测试类型、输出格式、自定义参数、统计数据和可视化效果，并且对测试结果进行自动分析，生成详细的报告。旨在提供一个简单易用且功能强大的工具来测量和分析代码的性能。

BenchmarkDotNet具有以下主要特点：

简单易用：使用BenchmarkDotNet非常简单，只需定义一个包含待测试方法的类，并使用Benchmark特性标记这些方法。BenchmarkDotNet将自动运行这些方法，并提供详细的性能分析报告。

支持多种测试场景：BenchmarkDotNet支持多种测试场景，包括方法级别的基准测试、类级别的基准测试、内存分配测试、多线程测试等。

强大的分析功能：BenchmarkDotNet提供了丰富的分析功能，可以生成各种性能指标报告，如平均执行时间、内存使用情况、GC压力等。它还支持将测试结果导出为CSV、JSON、Markdown等格式，方便进一步分析和比较。

高度可配置：BenchmarkDotNet提供了丰富的配置选项，可以根据需求对测试进行精细调整。用户可以设置测试运行次数、迭代次数、预热次数等参数，以及启用禁用不同的分析器和报告器。

跨平台支持：BenchmarkDotNet可以在Windows、Linux和MacOS等多个平台上运行，并且支持多个不同的运行时，如.NET Framework、.NET Core和Mono等。

下面介绍 BenchmarkDotNet 的基本使用方法和功能。

安装和配置

BenchmarkDotNet 可以作为 NuGet 包安装到项目中：

Install-Package BenchmarkDotNet

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

安装完成后，在需要测试性能的类上使用 [MemoryDiagnoser] 和 [Benchmark] 特性进行标记：

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>();
    }
}

基准测试类型

BenchmarkDotNet 支持多种基准测试类型，具体包括以下几类：

• 迭代基准测试（IterationBenchmark）：最基本的基准测试类型，用于测试一段代码在一次迭代中的执行时间。
• 操作基准测试（OperationBenchmark）：在指定时间内重复执行某个操作，并计算每个操作的执行时间。
• 参数化基准测试（ParamBenchmark）：用于测试在不同参数或者数据集下的执行时间，可以通过 Attributes 来指定参数。
• 微基准测试（Microbenchmark）：专门用于测试微小的代码片段，如访问一个数组元素的速度等。

在实际测试中，开发者根据自己的需求和测试场景选择不同的测试类型，并通过 BenchmarkDotNet 提供的 API 和属性进行配置。例如，可以设置测试迭代次数、数据规模、运行模式等参数，以使得测试结果更为准确可靠。

SimpleJob 是 BenchmarkDotNet 中的一个属性，用于指定基准测试中的一些参数。下面是 SimpleJob 属性的详细解释：

• RunStrategy：指定 BenchmarkDotNet 运行基准测试时的策略，可选值为 ColdStart、Throughput 和 Monitoring。默认值为 Throughput。
• LaunchCount：每个测试迭代执行前启动进程数，默认值为 1。
• WarmupCount：每个测试迭代的预热次数，默认值为 5。
• TargetCount：每个测试迭代执行的目标操作次数，默认值为 10。
• InvocationCount：每个测试迭代中操作的执行次数，默认值为 1。
• IterationTime：以秒为单位指定一个迭代的最大持续时间，默认值为 1000 毫秒。
• MaxIterationCount：指定运行迭代的最大数量，默认值为 100。
• MaxWarmupIterationCount：指定预热迭代的最大数量，默认值为 10。
• Affinity：将线程绑定到特定的 CPU 核心上，可选值为 None、All、Even 或 Odd。默认值为 None。
• Jit：指定编译器的版本，可选值为 LegacyJit、RyuJit 或 Auto。默认值为 Auto。
• Platform：指定基准测试所在进程的 CPU 架构，可选值为 AnyCpu、X64 或 X86。默认值为 AnyCpu。
• Runtime：指定基准测试所使用的运行时平台，可选值为 Core、Clr 或 Mono。默认值为 Core。
• TargetFrameworkMoniker：指定基准测试所使用的 .NET Framework 版本，例如 .NET Framework 4.5、.NET Core 3.1 等。
• BaselineSwitch：指定一个命令行开关，用于指示基准测试是否作为一个基准行测试来运行。默认值为 false。
• EnvironmentVariables：包含要传递给基准测试进程的环境变量字典。
• Categories：指定分类列表，以便在基准测试报告中对测试进行分组。

在类上使用 [SimpleJob] 特性进行标记，并指定相应的测试类型：

using BenchmarkDotNet.Attributes;
using BenchmarkDotNet.Jobs;

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

输出格式

BenchmarkDotNet 支持多种输出格式，包括以下几种：

• Brief：输出简洁的摘要信息，包括测试名称、平均值、标准差等统计数据。
• Default：输出详细的测试结果，包括测试名称、测试方法、平均值、标准差等统计数据、原始测试数据、吞吐量和分布图等。
• Csv：输出 CSV 格式的测试结果，方便后续处理和比较。
• Html：输出 HTML 格式的测试结果，支持自定义格式、样式和交互效果。
• RPlot：输出 R 语言脚本和图形，方便进行高级统计和可视化分析。

可以在类上使用 [MarkdownExporterAttribute.Default] 等特性进行标记，并指定相应的输出格式：

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

[MarkdownExporterAttribute.Default]
[HtmlExporter]
[AsciiDocExporter]

public class MyBenchmark
{
    // test methods
}

自定义参数

BenchmarkDotNet 支持多种自定义参数，包括以下几种：

• Job：指定运行测试的环境和条件，如运行时版本、平台、垃圾回收器等。
• IterationCount：指定每个测试的迭代次数，以便获得更精确的数据点和稳定的统计数据。
• WarmupCount：指定每个测试的预热次数，以便使 JIT 编译器预热运行时环境。
• LaunchCount：指定每个测试的启动次数，以便消除瞬时启动时间的影响。
• Accuracy：指定测试结果的准确性和精度。
• Baseline：指定基准测试方法，以便作为比较对象。
• Order：指定测试方法的执行顺序。

可以在类上使用 [Params]、[ParamsSource] 或 [ArgumentsSource] 特性进行标记，并指定相应的参数：

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 }
        };
}

统计数据和可视化效果

BenchmarkDotNet 对测试结果进行自动分析，生成多种统计数据和可视化效果，包括以下几种：

• Mean：平均值，表示总体的中心趋势水平。
• StdDev：标准差，表示总体的离散程度和稳定性。
• Median：中位数，表示排序后的中间值。
• Q1/Q3：第一/三四分位数，表示排序后的上/下四分之一位置的值。
• Max/Min：最大/最小值，表示排序后的极端值。
• Percentiles：百分位数，表示排序后的特定位置的值。
• Histogram：直方图，表示测试结果的频率分布情况。
• Boxplot：箱线图，表示测试结果的五项摘要统计数据和异常值。
• Summary：摘要信息，表示测试结果的主要统计数据和可信区间。

可以在运行测试后查看控制台输出和生成的报告文件，以便了解测试结果的详细信息和分析结果。

实战案例

以下是一个使用BenchmarkDotNet进行冒泡排序和快速排序性能测试的示例：

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

public class SortingBenchmark
{
    private int[] array;

    [Params(1000, 10000, 100000)] // 定义不同规模的数组作为参数
    public int ArraySize { get; set; }

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

    [Benchmark]
    public void BubbleSort()
    {
        // 冒泡排序算法实现
        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()
    {
        // 快速排序算法实现
        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，我们首先定义了一个名为`SortingBenchmark`的类，并在其中使用`Params`特性定义了不同规模的数组作为参数。然后，在`GlobalSetup`方法中，我们初始化了待排序的数组。

接下来，我们使用`Benchmark`特性分别标记了冒泡排序和快速排序的测试方法`BubbleSort`和`QuickSort`。在这两个方法中，我们分别实现了冒泡排序和快速排序的算法。

最后，在`Main`方法中，我们使用`BenchmarkRunner.Run`方法来运行基准测试，并生成性能分析报告。

运行上述代码后，BenchmarkDotNet将自动运行冒泡排序和快速排序的测试方法，并生成包含性能分析报告的输出。可以根据需要调整数组规模和其他配置参数，以获取更详细的性能分析结果。

另外在输出目录下，BenchmarkDotnet 会输出性能测试结果文件：

打开 html 版本后看到的跟刚才控制台的是一样的

以上是 BenchmarkDotNet 的基本使用方法和功能。BenchmarkDotNet 有着丰富的 API 和调整参数的选项，可以进行高级性能分析和可视化效果。它可以帮助开发人员优化和改进代码，并提升应用程序的性能和稳定性。