迭代器 Iterable 这么慢吗?而它让性能提升 N 倍

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迭代器 Iterable 这么慢吗?而它让性能提升 N 倍

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视频版 bilibili地址: b23.tv/cumiLVf

关于 Sequence 我在之前的两篇文章都介绍过,无论在执行速度和内存方面 Sequence 的性能都比 Iterable 好,有兴趣的朋友可以去看一下:

在上一篇文章中测试了反射的性能 揭秘反射真的很耗时吗,射10万次用时多久,这篇文章我们一起来分析一下 SequenceIterable 的性能和执行过程。

这期内容分为 视频版文字版,仅仅靠文字无法很好的描述它们的执行过程,视频版以动画的形式描述了 SequenceIterable 的执行过程和性能测试过程,欢迎前往查看。

视频版 bilibili地址: b23.tv/cumiLVf

这期内容将会从 速度内存 两方面测试一下它们之间的差距。我们先来看一看 SequencesIterable 数据结构,它们的数据结构非常的相似。

SequencesIterable 虽然结构很相似,但是他们的性能缺相差很大,在开始测试之前,我们先来看看它们的执行过程。

Iterable 的执行过程

Iterable 会立即处理输入的元素,在处理过程中,每遇到一个操作符,都会创建一个新的数组列表,将结果保存到新的数组列表中,之后在传递给下一个操作符,以此类推,直到操作符结束,我们来看一段代码。

(1..3).asIterable()
    .map { it * 2 }
    .filter { it > 2 }
    .forEach { print("$it, ") }
复制代码

Iterable 执行过程如下图所示。

  • 初始集合所有元素 1, 2, 3,遇到第一个操作符 map,会创建一个新的数组列表,遍历初始集合所有元素,每个元素 x 2 保存到新的数组列表中,输出 2, 4, 6,源码如下所示
// 每次操作都会开辟一块新的空间,创建一个新的数组列表 ArrayList,存储计算的结果
public inline fun <T, R> Iterable<T>.map(transform: (T) -> R): List<R> {
    return mapTo(ArrayList<R>(collectionSizeOrDefault(10)), transform)
}
复制代码
  • 然后调用第二个操作符 filter,会再次创建一个新的数组列表,遍历集合中所有元素,将大于 2 的元素,保存到新的数组列表中,输出 4, 6,源码如下所示
// 每次操作都会开辟一块新的空间,创建一个新的数组列表 ArrayList,存储计算的结果
public inline fun <T> Iterable<T>.filter(predicate: (T) -> Boolean): List<T> {
    return filterTo(ArrayList<T>(), predicate)
}
复制代码

如果每次调用操作符 mapfilter 时,都创建一个新的数组列表,将结果保存到新的数组列表中。这么做存在性能问题。

1. 浪费内存

每次调用操作符 mapfilter 时,都需要临时申请一段内存存储中间结果。

如果每次操作都需要申请内存,存储中间结果,这是对内存极大的浪费,因为我们只关心最后的结果,而不是中间的过程。

2. 执行速度慢

每次调用操作符 mapfilter 时,都会生成一个 while{...} 循环, 原本只需要遍历一次就能做完的事,被拆分多个循环来完成,如果在大量数据的情况下,这个速度是很糟糕的。

Sequences 的执行过程

Sequence 用来表示一个延迟计算的集合,每次遇到一个中间操作符都不会执行,会把它添加到待执行的操作列表中,构成一个待执行的调用链,直到遇到终端操作符( toListcountforEach 等等)才会开始执行。

我们可以通过 asSequence 扩展函数,将现有的集合转换为 Sequence ,示例代码如下所示。

(1..3).asSequence()
    .map { it * 2 }
    .filter { it > 2 }
    .forEach { print("$it, ") }
复制代码

Sequence 执行过程如下图所示。

  • 初始集合所有元素 1,2,3,调用 asSequence 扩展函数,将现有的集合转换为 Sequence
  • 遇到第一个操作符 mapmap 是中间操作符,不会执行,会把它添加到待执行的操作列表中
  • 然后调用第二个操作符 filterfilter 也是一个中间操作符,也会把它添加到待执行的操作列表中。
  • 调用最后一个操作符 forEachforEach 是终端操作符,遇到终端操作符时,会触发中间操作符的执行,初始集合每个元素都会执行一遍 map -> filter -> forEach,直到所有元素处理完毕

Sequences 处理过程中,遇到中间操作符 mapfilter 不会执行,只是构建了一个待执行的调用链,只有遇到末端操作符 forEach 才开始处理元素,这么做有以下好处:

  • 速度更快,将多个中间操作符,构成一个待执行的调用链,集合中每个元素在调用链上传递,避免了很多无用操作,提升了整体速度
  • 占用更少的内存,在执行过程中,不会创建新的列表存储中间结果,因此它占用的内存更少

如何区分末端操作符还是中间操作符

看方法的返回类型,如果返回的是 Sequence 表示是中间操作符,否则是终端操作符,源码如下所示。

// 中间操作 map ,返回的是  Sequence
public fun <T, R> Sequence<T>.map(transform: (T) -> R): Sequence<R> {
    return TransformingSequence(this, transform)
}

// 末端操作 toList 返回的是一个具体的类型(List)
public fun <T> Sequence<T>.toList(): List<T> {
    return this.toMutableList().optimizeReadOnlyList()
}
复制代码

如果是中间操作 mapfilter ,它们返回的是一个 Sequence,末端操作返回的是一个具体的类型 ListIntUnit 等等,源码如下所示。

// 末端操作 count, 返回的是 Int
public fun <T> Sequence<T>.count(): Int {
    var count = 0
    for (element in this) checkCountOverflow(++count)
    return count
}

// 末端操作 forEach 返回的是一个具体的类型(Unit)
public inline fun <T> Sequence<T>.forEach(action: (T) -> Unit): Unit {
    for (element in this) action(element)
}
复制代码

如果是末端操作符 toListcountforEach 等等,返回的是一个具体的类型 ListIntUnit

了解完 SequencesIterable 的执行过程,接下里我们实操一下,通过 JMH 工具测试一下它们的执行速度,通过 jcmd 生成 hprof 文件查看它们的总内存。

JMH (Java Microbenchmark Harness),这是 Oracle 开发的一个基准测试工具,因为 JVM 会对代码做各种优化,而 JMH 会尽可能的减少这些优化对最终结果的影响,尽可能的保证结果的可靠性。

代码已经上传到 Github 仓库 KtPractice 欢迎前往查看,运行 SequenceBenchmarkTestSequenceMemory 即可生成结果。

Github 仓库 KtPractice 地址: github.com/hi-dhl/KtPr…

Sequences 和 Iterable 执行速度对比

在开始测试之前,我们需要先设计测试方案:

  • 在单进程,10 个线程中,分别对 SequencesIterable 执行 10 轮测试,每轮遍历 10 万条数据,取平均值
  • 在执行之前,需要对代码进行预热,预热不会作为最终结果,预热的目的是为了构造一个相对稳定的环境,保证结果的可靠性。因为 JVM 会对执行频繁的代码,尝试编译为机器码,从而提高执行速度。而预热不仅包含编译为机器码,还包含 JVM 各种优化算法,尽量减少 JVM 的优化,构造一个相对稳定的环境,降低对结果造成的影响。
  • JMH 提供 Blackhole,通过 Blackhole 的 consume 来避免 JIT 带来的优化

现在分别使用 SequencesIterable 调用它们各自的 filtermap 方法,处理相同数据的情况下,比较它们的执行时间。

Iterable

@Benchmark
fun runIterable(bh: Blackhole) {
    val result = (1..100_000).asIterable()
        .map { it * 2 }
        .filter { it % 2 == 1 }
        .count()
    bh.consume(result)
}
复制代码

处理完 10 万条数据之后,10 轮测试平均耗时 10.259 ms/op

Sequences

@Benchmark
fun runSequence(bh: Blackhole) {
    val result = (1..100_000).asSequence()
        .map { it * 2 }
        .filter { it % 2 == 1 }
        .count()
    bh.consume(result)
}
复制代码

经过长时间运行之后,10 轮测试平均耗时 4.914 ms/op,这个结果很让人吃惊,SequencesIterable 快 6 倍。如下图所示:

在实际情况中,集合里面保存的元素更加复杂,因此占用内存、和执行速度之间的差距也会越来越大。尤其在处理大数据的时候,效果是更加明显的,数据量越大,它们的时间差距会越来越大。

Sequences 和 Iterable 内存对比

在开始测试之前,我们需要先设计测试方案:

  • 分别使用 SequencesIterable,创建 10 万个对象,查看当前内存情况
  • 利用 JDK 提供的工具 jcmd 在循环结束后,方法结束前,生成 hprof 文件,查看当前总内存大小
  • 需要一个简单的测试类,作为 SequencesIterable 测试数据,测试类如下所示
data class Model(val no: Int) {
    private var name: String? = null
    private var addres: String? = null
    private var age: Int = 0
}
复制代码

现在分别使用 SequencesIterable 调用它们各自的 filtermap 方法,来看看它们的内存占用情况。

Iterable

(1..100_000).asIterable()
    .map { Model(it) }
    .filter { it.no > 1000 }
    .count()

val pid = getProcessID()
val millis = System.currentTimeMillis()
val process = Runtime.getRuntime().exec("jcmd ${pid} GC.heap_dump report/sequence/memory_iterables_${pid}_${millis}.hprof")
println(process.waitFor())
复制代码

创建 10 万个对象之后,在方法执行结束前,生成 hprof 文件,分析之后,总共占用 6 MB (6, 046, 244 byte) 内存。

Sequences

(1..100_000).asSequence()
    .map { Model(it) }
    .filter { it.no > 1000 }
    .count()

val pid = getProcessID()
val millis = System.currentTimeMillis()
val process = Runtime.getRuntime().exec("jcmd ${pid} GC.heap_dump memory_sequences_${pid}_${millis}.hprof")
println(process.waitFor())
复制代码

总共占用 1 MB (1, 495, 413 byte) 内存,最终 SequencesIterable 内存占用情况如下所示。

这个结果非常的惊人, Iterable 占用的内存是 Sequences 6 倍,这是因为 Iterable 每次遇到一个操作符,都会创建一个新的数组列表,将结果保存到新的数组列表中,导致了浪费更多的内存

Iterable 和 Sequences 如何选择

经过速度和内存测试,我们知道了使用 Sequences 不仅可以提高速度,而且占用的内存更少。那么如何选择 IterableSequences

  • 如果包含多个操作符,建议选择 Sequences
  • 在数据量很小的情况下,选择任意一个都可以,但是如果是在递归当中使用,无论数据大小,建议优先考虑 Sequences
  • 如果处理的数据量比较大,Sequence 是最好的选择,因为不会创建新的数组列表,内存开销更小,而且速度更快
  • 如果单个 Model 非常的复杂,无论数据集大小,建议优先考虑 Sequences,如果无法确定,那么在想使用 Iterable 的时候,优先考虑 Sequences

本文代码已经全部上传到 Github 仓库 KtPractice 欢迎前往查看,运行 SequenceBenchmarkTestSequenceMemory 即可生成结果,或者进入仓库 report/sequence 目录下查我已经生成好的结果。

Github 仓库 KtPractice 地址: github.com/hi-dhl/KtPr…


全文到这里就结束了,感谢你的阅读,如果有帮助,欢迎 在看点赞收藏分享 给身边的朋友。

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