Java 8 Stream的性能到底如何？

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：

OSCentOS 6.7 x86_64CPUIntel Xeon X5675, 12M Cache 3.06 GHz, 6 Cores 12 Threads内存96GBJDKjava version 1.8.0_91, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM

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：

-XX:+UseConcMarkSweepGC -Xms10G -Xmx10G -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。