Java 8 Stream的性能到底如何？

之前的文章中我们介绍了Java 8中Stream相关的API，我们提到Stream API可以极大提高Java程序员的生产力，让程序员写出高效率、干净、简洁的代码。

那么，Stream API的性能到底如何呢，代码整洁的背后是否意味着性能的损耗呢？本文我们对Stream API的性能一探究竟。

为保证测试结果真实可信，我们将JVM运行在-server模式下，测试数据在GB量级，测试机器采用常见的商用服务器，配置如下：

测试方法和测试数据

性能测试并不是容易的事，Java性能测试更费劲，因为虚拟机对性能的影响很大，JVM对性能的影响有两方面：

1. GC的影响。GC的行为是Java中很不好控制的一块，为增加确定性，我们手动指定使用CMS收集器，并使用10GB固定大小的堆内存。具体到JVM参数就是-XX:+UseConcMarkSweepGC -Xms10G -Xmx10G
2. JIT(Just-In-Time)即时编译技术。即时编译技术会将热点代码在JVM运行的过程中编译成本地代码，测试时我们会先对程序预热，触发对测试函数的即时编译。相关的JVM参数是-XX:CompileThreshold=10000。

Stream并行执行时用到ForkJoinPool.commonPool()得到的线程池，为控制并行度我们使用Linux的taskset命令指定JVM可用的核数。

测试数据由程序随机生成。为防止一次测试带来的抖动，测试4次求出平均时间作为运行时间。

实验一 基本类型迭代

测试内容：找出整型数组中的最小值。对比for循环外部迭代和Stream API内部迭代性能。

测试程序代码：

/**
 * java -server -Xms10G -Xmx10G -XX:+PrintGCDetails 
 * -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:CompileThreshold=1000 lee/IntTest
 * taskset -c 0-[0,1,3,7] java ...
 * @author CarpenterLee
 */
public class IntTest {

    public static void main(String[] args) {
        new IntTest().doTest();
    }
    public void doTest(){
        warmUp();
        int[] lengths = {
                10000, 
                100000, 
                1000000, 
                10000000, 
                100000000, 
                1000000000
            };
        for(int length : lengths){
            System.out.println(String.format("---array length: %d---", length));
            int[] arr = new int[length];
            randomInt(arr);

            int times = 4;
            int min1 = 1;
            int min2 = 2;
            int min3 = 3;
            long startTime;

            startTime = System.nanoTime();
            for(int i=0; i<times; i++){
                min1 = minIntFor(arr);
            }
            TimeUtil.outTimeUs(startTime, "minIntFor time:", times);

            startTime = System.nanoTime();
            for(int i=0; i<times; i++){
                min2 = minIntStream(arr);
            }
            TimeUtil.outTimeUs(startTime, "minIntStream time:", times);

            startTime = System.nanoTime();
            for(int i=0; i<times; i++){
                min3 = minIntParallelStream(arr);
            }
            TimeUtil.outTimeUs(startTime, "minIntParallelStream time:", times);


            System.out.println(min1==min2 && min2==min3);
        }
    }
    private void warmUp(){
        int[] arr = new int[100];
        randomInt(arr);
        for(int i=0; i<20000; i++){
//          minIntFor(arr);
            minIntStream(arr);
            minIntParallelStream(arr);

        }
    }
    private int minIntFor(int[] arr){
        int min = Integer.MAX_VALUE;
        for(int i=0; i<arr.length; i++){
            if(arr[i]<min)
                min = arr[i];
        }
        return min;
    }
    private int minIntStream(int[] arr){
        return Arrays.stream(arr).min().getAsInt();
    }
    private int minIntParallelStream(int[] arr){
        return Arrays.stream(arr).parallel().min().getAsInt();
    }
    private void randomInt(int[] arr){
        Random r = new Random();
        for(int i=0; i<arr.length; i++){
            arr[i] = r.nextInt();
        }
    }
}

测试结果如下图：

图中展示的是for循环外部迭代耗时为基准的时间比值。分析如下：

1. 对于基本类型Stream串行迭代的性能开销明显高于外部迭代开销（两倍）；
2. Stream并行迭代的性能比串行迭代和外部迭代都好。

并行迭代性能跟可利用的核数有关，上图中的并行迭代使用了全部12个核，为考察使用核数对性能的影响，我们专门测试了不同核数下的Stream并行迭代效果：

分析，对于基本类型：

1. 使用Stream并行API在单核情况下性能很差，比Stream串行API的性能还差；
2. 随着使用核数的增加，Stream并行效果逐渐变好，比使用for循环外部迭代的性能还好。

以上两个测试说明，对于基本类型的简单迭代，Stream串行迭代性能更差，但多核情况下Stream迭代时性能较好。

实验二 对象迭代

再来看对象的迭代效果。

测试内容：找出字符串列表中最小的元素（自然顺序），对比for循环外部迭代和Stream API内部迭代性能。

测试程序代码：

/**
 * java -server -Xms10G -Xmx10G -XX:+PrintGCDetails 
 * -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:CompileThreshold=1000 lee/StringTest
 * taskset -c 0-[0,1,3,7] java ...
 * @author CarpenterLee
 */
public class StringTest {

    public static void main(String[] args) {
        new StringTest().doTest();
    }
    public void doTest(){
        warmUp();
        int[] lengths = {
                10000, 
                100000, 
                1000000, 
                10000000, 
                20000000, 
                40000000
            };
        for(int length : lengths){
            System.out.println(String.format("---List length: %d---", length));
            ArrayList<String> list = randomStringList(length);
            int times = 4;
            String min1 = "1";
            String min2 = "2";
            String min3 = "3";
            long startTime;

            startTime = System.nanoTime();
            for(int i=0; i<times; i++){
                min1 = minStringForLoop(list);
            }
            TimeUtil.outTimeUs(startTime, "minStringForLoop time:", times);

            startTime = System.nanoTime();
            for(int i=0; i<times; i++){
                min2 = minStringStream(list);
            }
            TimeUtil.outTimeUs(startTime, "minStringStream time:", times);

            startTime = System.nanoTime();
            for(int i=0; i<times; i++){
                min3 = minStringParallelStream(list);   
            }
            TimeUtil.outTimeUs(startTime, "minStringParallelStream time:", times);

            System.out.println(min1.equals(min2) && min2.equals(min3));
//          System.out.println(min1);
        }
    }
    private void warmUp(){
        ArrayList<String> list = randomStringList(10);
        for(int i=0; i<20000; i++){
            minStringForLoop(list);
            minStringStream(list);
            minStringParallelStream(list);

        }
    }
    private String minStringForLoop(ArrayList<String> list){
        String minStr = null;
        boolean first = true;
        for(String str : list){
            if(first){
                first = false;
                minStr = str;
            }
            if(minStr.compareTo(str)>0){
                minStr = str;
            }
        }
        return minStr;
    }
    private String minStringStream(ArrayList<String> list){
        return list.stream().min(String::compareTo).get();
    }
    private String minStringParallelStream(ArrayList<String> list){
        return list.stream().parallel().min(String::compareTo).get();
    }
    private ArrayList<String> randomStringList(int listLength){
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>(listLength);
        Random rand = new Random();
        int strLength = 10;
        StringBuilder buf = new StringBuilder(strLength);
        for(int i=0; i<listLength; i++){
            buf.delete(0, buf.length());
            for(int j=0; j<strLength; j++){
                buf.append((char)('a'+rand.nextInt(26)));
            }
            list.add(buf.toString());
        }
        return list;
    }
}

测试结果如下图：

结果分析如下：

1. 对于对象类型Stream串行迭代的性能开销仍然高于外部迭代开销（1.5倍），但差距没有基本类型那么大。
2. Stream并行迭代的性能比串行迭代和外部迭代都好。

再来单独考察Stream并行迭代效果：

分析，对于对象类型：

1. 使用Stream并行API在单核情况下性能比for循环外部迭代差；
2. 随着使用核数的增加，Stream并行效果逐渐变好，多核带来的效果明显。

以上两个测试说明，对于对象类型的简单迭代，Stream串行迭代性能更差，但多核情况下Stream迭代时性能较好。

实验三 复杂对象归约

从实验一、二的结果来看，Stream串行执行的效果都比外部迭代差（很多），是不是说明Stream真的不行了？先别下结论，我们再来考察一下更复杂的操作。

测试内容：给定订单列表，统计每个用户的总交易额。对比使用外部迭代手动实现和Stream API之间的性能。

我们将订单简化为<userName, price, timeStamp>构成的元组，并用Order对象来表示。

测试程序代码：

/**
 * java -server -Xms10G -Xmx10G -XX:+PrintGCDetails 
 * -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:CompileThreshold=1000 lee/ReductionTest
 * taskset -c 0-[0,1,3,7] java ...
 * @author CarpenterLee
 */
public class ReductionTest {

    public static void main(String[] args) {
        new ReductionTest().doTest();
    }
    public void doTest(){
        warmUp();
        int[] lengths = {
                10000, 
                100000, 
                1000000, 
                10000000, 
                20000000, 
                40000000
            };
        for(int length : lengths){
            System.out.println(String.format("---orders length: %d---", length));
            List<Order> orders = Order.genOrders(length);
            int times = 4;
            Map<String, Double> map1 = null;
            Map<String, Double> map2 = null;
            Map<String, Double> map3 = null;

            long startTime;

            startTime = System.nanoTime();
            for(int i=0; i<times; i++){
                map1 = sumOrderForLoop(orders);
            }
            TimeUtil.outTimeUs(startTime, "sumOrderForLoop time:", times);

            startTime = System.nanoTime();
            for(int i=0; i<times; i++){
                map2 = sumOrderStream(orders);
            }
            TimeUtil.outTimeUs(startTime, "sumOrderStream time:", times);

            startTime = System.nanoTime();
            for(int i=0; i<times; i++){
                map3 = sumOrderParallelStream(orders);  
            }
            TimeUtil.outTimeUs(startTime, "sumOrderParallelStream time:", times);

            System.out.println("users=" + map3.size());

        }
    }
    private void warmUp(){
        List<Order> orders = Order.genOrders(10);
        for(int i=0; i<20000; i++){
            sumOrderForLoop(orders);
            sumOrderStream(orders);
            sumOrderParallelStream(orders);

        }
    }
    private Map<String, Double> sumOrderForLoop(List<Order> orders){
        Map<String, Double> map = new HashMap<>();
        for(Order od : orders){
            String userName = od.getUserName();
            Double v; 
            if((v=map.get(userName)) != null){
                map.put(userName, v+od.getPrice());
            }else{
                map.put(userName, od.getPrice());
            }
        }
        return map;
    }
    private Map<String, Double> sumOrderStream(List<Order> orders){
        return orders.stream().collect(
                Collectors.groupingBy(Order::getUserName, 
                        Collectors.summingDouble(Order::getPrice)));
    }
    private Map<String, Double> sumOrderParallelStream(List<Order> orders){
        return orders.parallelStream().collect(
                Collectors.groupingBy(Order::getUserName, 
                        Collectors.summingDouble(Order::getPrice)));
    }
}
class Order{
    private String userName;
    private double price;
    private long timestamp;
    public Order(String userName, double price, long timestamp) {
        this.userName = userName;
        this.price = price;
        this.timestamp = timestamp;
    }
    public String getUserName() {
        return userName;
    }
    public double getPrice() {
        return price;
    }
    public long getTimestamp() {
        return timestamp;
    }
    public static List<Order> genOrders(int listLength){
        ArrayList<Order> list = new ArrayList<>(listLength);
        Random rand = new Random();
        int users = listLength/200;// 200 orders per user
        users = users==0 ? listLength : users;
        ArrayList<String> userNames = new ArrayList<>(users);
        for(int i=0; i<users; i++){
            userNames.add(UUID.randomUUID().toString());
        }
        for(int i=0; i<listLength; i++){
            double price = rand.nextInt(1000);
            String userName = userNames.get(rand.nextInt(users));
            list.add(new Order(userName, price, System.nanoTime()));
        }
        return list;
    }
    @Override
    public String toString(){
        return userName + "::" + price;
    }
}

测试结果如下图：

分析，对于复杂的归约操作：

1. Stream API的性能普遍好于外部手动迭代，并行Stream效果更佳；

再来考察并行度对并行效果的影响，测试结果如下：

分析，对于复杂的归约操作：

1. 使用Stream并行归约在单核情况下性能比串行归约以及手动归约都要差，简单说就是最差的；
2. 随着使用核数的增加，Stream并行效果逐渐变好，多核带来的效果明显。

以上两个实验说明，对于复杂的归约操作，Stream串行归约效果好于手动归约，在多核情况下，并行归约效果更佳。我们有理由相信，对于其他复杂的操作，Stream API也能表现出相似的性能表现。

结论

上述三个实验的结果可以总结如下：

1. 对于简单操作，比如最简单的遍历，Stream串行API性能明显差于显示迭代，但并行的Stream API能够发挥多核特性。
2. 对于复杂操作，Stream串行API性能可以和手动实现的效果匹敌，在并行执行时Stream API效果远超手动实现。

所以，如果出于性能考虑，1. 对于简单操作推荐使用外部迭代手动实现，2. 对于复杂操作，推荐使用Stream API， 3. 在多核情况下，推荐使用并行Stream API来发挥多核优势，4.单核情况下不建议使用并行Stream API。

如果出于代码简洁性考虑，使用Stream API能够写出更短的代码。即使是从性能方面说，尽可能的使用Stream API也另外一个优势，那就是只要Java Stream类库做了升级优化，代码不用做任何修改就能享受到升级带来的好处。