BenchmarkDotNet是一個用于進行性能基準測試的開源庫，可以幫助開發者在.NET 應用程式中測試代碼性能。它支援多種基準測試類型、輸出格式、自定義參數、統計資料和可視化效果，并且對測試結果進行自動分析，生成詳細的報告。旨在提供一個簡單易用且功能強大的工具來測量和分析代碼的性能。

BenchmarkDotNet具有以下主要特點：

1. 簡單易用：使用BenchmarkDotNet非常簡單，隻需定義一個包含待測試方法的類，并使用Benchmark特性标記這些方法。BenchmarkDotNet将自動運作這些方法，并提供詳細的性能分析報告。

2. 支援多種測試場景：BenchmarkDotNet支援多種測試場景，包括方法級别的基準測試、類級别的基準測試、記憶體配置設定測試、多線程測試等。

3. 強大的分析功能：BenchmarkDotNet提供了豐富的分析功能，可以生成各種性能名額報告，如平均執行時間、記憶體使用情況、GC壓力等。它還支援将測試結果導出為CSV、JSON、Markdown等格式，友善進一步分析和比較。

4. 高度可配置：BenchmarkDotNet提供了豐富的配置選項，可以根據需求對測試進行精細調整。使用者可以設定測試運作次數、疊代次數、預熱次數等參數，以及啟用禁用不同的分析器和報告器。

5. 跨平台支援：BenchmarkDotNet可以在Windows、Linux和MacOS等多個平台上運作，并且支援多個不同的運作時，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 包安裝到項目中：

Install-Package BenchmarkDotNet

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

安裝完成後，在需要測試性能的類上使用 [MemoryDiagnoser] 和 [Benchmark] 特性進行标記：

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>();
    }
}

基準測試類型

BenchmarkDotNet 支援多種基準測試類型，具體包括以下幾類：

疊代基準測試（IterationBenchmark）：最基本的基準測試類型，用于測試一段代碼在一次疊代中的執行時間。
操作基準測試（OperationBenchmark）：在指定時間内重複執行某個操作，并計算每個操作的執行時間。
參數化基準測試（ParamBenchmark）：用于測試在不同參數或者資料集下的執行時間，可以通過 Attributes 來指定參數。
微基準測試（Microbenchmark）：專門用于測試微小的代碼片段，如通路一個數組元素的速度等。

在實際測試中，開發者根據自己的需求和測試場景選擇不同的測試類型，并通過 BenchmarkDotNet 提供的 API 和屬性進行配置。例如，可以設定測試疊代次數、資料規模、運作模式等參數，以使得測試結果更為準确可靠。

SimpleJob 是 BenchmarkDotNet 中的一個屬性，用于指定基準測試中的一些參數。下面是 SimpleJob 屬性的詳細解釋：

RunStrategy：指定 BenchmarkDotNet 運作基準測試時的政策，可選值為 ColdStart、Throughput 和 Monitoring。預設值為 Throughput。
LaunchCount：每個測試疊代執行前啟動程序數，預設值為 1。
WarmupCount：每個測試疊代的預熱次數，預設值為 5。
TargetCount：每個測試疊代執行的目标操作次數，預設值為 10。
InvocationCount：每個測試疊代中操作的執行次數，預設值為 1。
IterationTime：以秒為機關指定一個疊代的最大持續時間，預設值為 1000 毫秒。
MaxIterationCount：指定運作疊代的最大數量，預設值為 100。
MaxWarmupIterationCount：指定預熱疊代的最大數量，預設值為 10。
Affinity：将線程綁定到特定的 CPU 核心上，可選值為 None、All、Even 或 Odd。預設值為 None。
Jit：指定編譯器的版本，可選值為 LegacyJit、RyuJit 或 Auto。預設值為 Auto。
Platform：指定基準測試所在程序的 CPU 架構，可選值為 AnyCpu、X64 或 X86。預設值為 AnyCpu。
Runtime：指定基準測試所使用的運作時平台，可選值為 Core、Clr 或 Mono。預設值為 Core。
TargetFrameworkMoniker：指定基準測試所使用的 .NET Framework 版本，例如 .NET Framework 4.5、.NET Core 3.1 等。
BaselineSwitch：指定一個指令行開關，用于訓示基準測試是否作為一個基準行測試來運作。預設值為 false。
EnvironmentVariables：包含要傳遞給基準測試程序的環境變量字典。
Categories：指定分類清單，以便在基準測試報告中對測試進行分組。

在類上使用 [SimpleJob] 特性進行标記，并指定相應的測試類型：

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 支援多種輸出格式，包括以下幾種：

Brief：輸出簡潔的摘要資訊，包括測試名稱、平均值、标準差等統計資料。
Default：輸出詳細的測試結果，包括測試名稱、測試方法、平均值、标準差等統計資料、原始測試資料、吞吐量和分布圖等。
Csv：輸出 CSV 格式的測試結果，友善後續處理和比較。
Html：輸出 HTML 格式的測試結果，支援自定義格式、樣式和互動效果。
RPlot：輸出 R 語言腳本和圖形，友善進行進階統計和可視化分析。

可以在類上使用 [MarkdownExporterAttribute.Default] 等特性進行标記，并指定相應的輸出格式：

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

[MarkdownExporterAttribute.Default]
[HtmlExporter]
[AsciiDocExporter]

public class MyBenchmark
{
    // test methods
}

自定義參數

BenchmarkDotNet 支援多種自定義參數，包括以下幾種：

Job：指定運作測試的環境和條件，如運作時版本、平台、垃圾回收器等。
IterationCount：指定每個測試的疊代次數，以便獲得更精确的資料點和穩定的統計資料。
WarmupCount：指定每個測試的預熱次數，以便使 JIT 編譯器預熱運作時環境。
LaunchCount：指定每個測試的啟動次數，以便消除瞬時啟動時間的影響。
Accuracy：指定測試結果的準确性和精度。
Baseline：指定基準測試方法，以便作為比較對象。
Order：指定測試方法的執行順序。

可以在類上使用 [Params]、[ParamsSource] 或 [ArgumentsSource] 特性進行标記，并指定相應的參數：

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 }
        };
}

統計資料和可視化效果

BenchmarkDotNet 對測試結果進行自動分析，生成多種統計資料和可視化效果，包括以下幾種：

Mean：平均值，表示總體的中心趨勢水準。
StdDev：标準差，表示總體的離散程度和穩定性。
Median：中位數，表示排序後的中間值。
Q1/Q3：第一/三四分位數，表示排序後的上/下四分之一位置的值。
Max/Min：最大/最小值，表示排序後的極端值。
Percentiles：百分位數，表示排序後的特定位置的值。
Histogram：直方圖，表示測試結果的頻率分布情況。
Boxplot：箱線圖，表示測試結果的五項摘要統計資料和異常值。
Summary：摘要資訊，表示測試結果的主要統計資料和可信區間。

可以在運作測試後檢視控制台輸出和生成的報告檔案，以便了解測試結果的詳細資訊和分析結果。

實戰案例

以下是一個使用BenchmarkDotNet進行冒泡排序和快速排序性能測試的示例：

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

public class SortingBenchmark
{
    private int[] array;

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

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

    [Benchmark]
    public void BubbleSort()
    {
        // 冒泡排序算法實作
        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()
    {
        // 快速排序算法實作
        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名為`SortingBenchmark`的類，并在其中使用`Params`特性定義了不同規模的數組作為參數。然後，在`GlobalSetup`方法中，我們初始化了待排序的數組。

接下來，我們使用`Benchmark`特性分别标記了冒泡排序和快速排序的測試方法`BubbleSort`和`QuickSort`。在這兩個方法中，我們分别實作了冒泡排序和快速排序的算法。

最後，在`Main`方法中，我們使用`BenchmarkRunner.Run`方法來運作基準測試，并生成性能分析報告。

運作上述代碼後，BenchmarkDotNet将自動運作冒泡排序和快速排序的測試方法，并生成包含性能分析報告的輸出。可以根據需要調整數組規模和其他配置參數，以擷取更詳細的性能分析結果。

另外在輸出目錄下，BenchmarkDotnet 會輸出性能測試結果檔案：

打開 html 版本後看到的跟剛才控制台的是一樣的

以上是 BenchmarkDotNet 的基本使用方法和功能。BenchmarkDotNet 有着豐富的 API 和調整參數的選項，可以進行進階性能分析和可視化效果。它可以幫助開發人員優化和改進代碼，并提升應用程式的性能和穩定性。

詳解如何使用BenchmarkDotNet進行.NET性能測試和優化

安裝和配置

基準測試類型

輸出格式

自定義參數

統計資料和可視化效果

實戰案例

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