Google Benchmark性能測試

Google Benchmark 是一個用于 C++ 的微基準測試框架，專為測量小塊代碼的性能而設計。它提供了一種簡單而強大的方式來編寫、運行和分析基準測試，幫助開發人員識別性能瓶頸并優化代碼。本教程將從安裝和基本用法開始，逐步深入到高級功能，并通過 C++ 示例演示如何結合測試實踐。

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1. 安裝 Google Benchmark

在 Ubuntu 上安裝 Google Benchmark 非常簡單。以下是安裝步驟：

1. 更新軟件包列表：

   sudo apt-get update
   

2. 安裝 Google Benchmark：

   sudo apt-get install libbenchmark-dev
   

3. 驗證安裝：
   安裝完成后，你可以通過編譯一個簡單的基準測試程序來驗證安裝是否成功。

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2. 基本用法

Google Benchmark 的基本用法是定義一個基準測試函數，并使用 BENCHMARK 宏注冊它。以下是一個簡單的示例：

示例 1：測量函數執行時間

代碼

#include <benchmark/benchmark.h>
#include <chrono>
#include <thread>void BM_Sleep(benchmark::State& state) {for (auto _ : state) {std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));}
}BENCHMARK(BM_Sleep);BENCHMARK_MAIN();

編譯和運行

1. 編譯：

   g++ -std=c++11 -O2 -o benchmark_example benchmark_example.cpp -lbenchmark -lpthread
   

   • -lbenchmark 鏈接 Google Benchmark 庫。
   • -lpthread 鏈接 pthread 庫（Google Benchmark 依賴）。

2. 運行：

   ./benchmark_example
   

輸出分析

運行后，你將看到類似以下的輸出：

2023-10-01 12:00:00
Running ./benchmark_example
Run on (8 X 4200 MHz CPU s)
CPU Caches:L1 Data 32 KiB (x4)L1 Instruction 32 KiB (x4)L2 Unified 256 KiB (x4)L3 Unified 8192 KiB (x1)
***WARNING*** CPU scaling is enabled, the benchmark real time measurements may be noisy and will incur extra overhead.
---------------------------------------------------------
Benchmark               Time             CPU   Iterations
---------------------------------------------------------
BM_Sleep         100000000 ns    100000000 ns           7

• Time：每次迭代的平均時間。
• CPU：每次迭代的 CPU 時間。
• Iterations：基準測試運行的迭代次數。

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示例 2：測量不同參數下的性能

Google Benchmark 允許你通過 Range 或 Args 指定參數，測試不同輸入下的性能。

代碼

#include <benchmark/benchmark.h>
#include <vector>void BM_VectorPushBack(benchmark::State& state) {for (auto _ : state) {std::vector<int> v;for (int i = 0; i < state.range(0); ++i) {v.push_back(i);}}
}BENCHMARK(BM_VectorPushBack)->Range(8, 8<<10);BENCHMARK_MAIN();

編譯和運行

1. 編譯：

   g++ -std=c++11 -O2 -o benchmark_range benchmark_range.cpp -lbenchmark -lpthread
   

2. 運行：

   ./benchmark_range
   

輸出分析

輸出將顯示不同 vector 大小下的性能：

---------------------------------------------------------
Benchmark               Time             CPU   Iterations
---------------------------------------------------------
BM_VectorPushBack/8          10 ns          10 ns    10000000
BM_VectorPushBack/64         80 ns          80 ns     1000000
BM_VectorPushBack/512       640 ns         640 ns      100000
BM_VectorPushBack/4096     5120 ns        5120 ns       10000
BM_VectorPushBack/32768   40960 ns       40960 ns        1000

這表明隨著 vector 大小的增加，push_back 操作的耗時也相應增加。

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3. 高級功能

Google Benchmark 還提供了一些高級功能，幫助你更精細地控制基準測試。

3.1 自定義計時

你可以使用 DoNotOptimize 和 ClobberMemory 來防止編譯器優化掉你的代碼。

代碼

#include <benchmark/benchmark.h>void BM_CustomTiming(benchmark::State& state) {for (auto _ : state) {int result = 0;for (int i = 0; i < 1000; ++i) {result += i;}benchmark::DoNotOptimize(result);benchmark::ClobberMemory();}
}BENCHMARK(BM_CustomTiming);BENCHMARK_MAIN();

• DoNotOptimize：防止編譯器優化掉 result。
• ClobberMemory：確保內存操作不被優化。

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3.2 測量內存使用

Google Benchmark 允許你測量內存使用情況。

代碼

#include <benchmark/benchmark.h>
#include <vector>void BM_MemoryUsage(benchmark::State& state) {for (auto _ : state) {std::vector<int> v(state.range(0), 0);benchmark::DoNotOptimize(v.data());}state.SetBytesProcessed(state.iterations() * state.range(0) * sizeof(int));
}BENCHMARK(BM_MemoryUsage)->Range(8, 8<<10);BENCHMARK_MAIN();

• SetBytesProcessed：設置每次迭代處理的字節數，用于計算吞吐量。

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3.3 多線程基準測試

你可以使用 Threads 指定線程數，測試多線程環境下的性能。

代碼

#include <benchmark/benchmark.h>
#include <atomic>std::atomic<int> counter(0);void BM_AtomicIncrement(benchmark::State& state) {for (auto _ : state) {counter++;}
}BENCHMARK(BM_AtomicIncrement)->Threads(4);BENCHMARK_MAIN();

• Threads(4)：在 4 個線程中運行基準測試。

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4. 結合測試實踐

在實際開發中，基準測試應與單元測試和性能分析工具結合使用，以確保代碼的正確性和高效性。

4.1 與單元測試集成

你可以在 CI/CD 管道中運行基準測試，監控性能變化。

4.2 與性能分析工具結合

使用 perf 或 Valgrind 等工具，深入分析基準測試結果，定位瓶頸。

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