Java統計程式碼執行時間統計程式碼耗時

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我們在日常開發中經常需要測試一些程式碼的執行時間,但又不想使用向 JMH(Java Microbenchmark Harness,Java 微基準測試套件)這麼重的測試框架,所以本文就彙總了一些 Java 中比較常用的執行時間統計方法,總共包含以下 6 種,如下圖所示:
image.png

方法一:System.currentTimeMillis

此方法為 Java 內建的方法,使用 System#currentTimeMillis 來統計執行的時間(統計單位:毫秒),示例程式碼如下:

public class TimeIntervalTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 開始時間
        long stime = System.currentTimeMillis();
        // 執行時間(1s)
        Thread.sleep(1000);
        // 結束時間
        long etime = System.currentTimeMillis();
        // 計算執行時間
        System.out.printf("執行時長:%d 毫秒.", (etime - stime));
    }
}

以上程式的執行結果為:

執行時長:1000 毫秒.

方法二:System.nanoTime

此方法為 Java 內建的方法,使用 System#nanoTime 來統計執行時間(統計單位:納秒),它的執行方法和 System#currentTimeMillis 類似,示例程式碼如下:

public class TimeIntervalTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 開始時間
        long stime = System.nanoTime();
        // 執行時間(1s)
        Thread.sleep(1000);
        // 結束時間
        long etime = System.nanoTime();
        // 計算執行時間
        System.out.printf("執行時長:%d 納秒.", (etime - stime));
    }
}

以上程式的執行結果為:

執行時長:1000769200 納秒.

小貼士:1 毫秒 = 100 萬納秒。

方法三:new Date

此方法也是 Java 的內建方法,在開始執行前 new Date() 建立一個當前時間物件,在執行結束之後 new Date() 一個當前執行時間,然後再統計兩個 Date 的時間間隔,示例程式碼如下:

import java.util.Date;

public class TimeIntervalTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 開始時間
        Date sdate = new Date();
        // 執行時間(1s)
        Thread.sleep(1000);
        // 結束時間
        Date edate = new Date();
        //  統計執行時間(毫秒)
        System.out.printf("執行時長:%d 毫秒." , (edate.getTime() - sdate.getTime())); 
    }
}

以上程式的執行結果為:

執行時長:1000 毫秒.

方法四:Spring StopWatch

如果我們使用的是 Spring 或 Spring Boot 專案,可以在專案中直接使用 StopWatch 物件來統計程式碼執行時間,示例程式碼如下:

StopWatch stopWatch = new StopWatch();
// 開始時間
stopWatch.start();
// 執行時間(1s)
Thread.sleep(1000);
// 結束時間
stopWatch.stop();
// 統計執行時間(秒)
System.out.printf("執行時長:%d 秒.%n", stopWatch.getTotalTimeSeconds()); // %n 為換行
// 統計執行時間(毫秒)
System.out.printf("執行時長:%d 毫秒.%n", stopWatch.getTotalTimeMillis()); 
// 統計執行時間(納秒)
System.out.printf("執行時長:%d 納秒.%n", stopWatch.getTotalTimeNanos());

以上程式的執行結果為:

執行時長:0.9996313 秒.

執行時長:999 毫秒.

執行時長:999631300 納秒.

小貼士: Thread#sleep 方法的執行時間稍有偏差,在 1s 左右都是正常的。

方法五:commons-lang3 StopWatch

如果我們使用的是普通專案,那我們可以用 Apache commons-lang3 中的 StopWatch 物件來實現時間統計,首先先新增 commons-lang3 的依賴:

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.apache.commons/commons-lang3 -->
<dependency>
  <groupId>org.apache.commons</groupId>
  <artifactId>commons-lang3</artifactId>
  <version>3.10</version>
</dependency>

然後編寫時間統計程式碼:

import org.apache.commons.lang3.time.StopWatch;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class TimeIntervalTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        StopWatch stopWatch = new StopWatch();
        // 開始時間
        stopWatch.start();
        // 執行時間(1s)
        Thread.sleep(1000);
        // 結束時間
        stopWatch.stop();
        // 統計執行時間(秒)
        System.out.println("執行時長:" + stopWatch.getTime(TimeUnit.SECONDS) + " 秒.");
        // 統計執行時間(毫秒)
        System.out.println("執行時長:" + stopWatch.getTime(TimeUnit.MILLISECONDS) + " 毫秒.");
        // 統計執行時間(納秒)
        System.out.println("執行時長:" + stopWatch.getTime(TimeUnit.NANOSECONDS) + " 納秒.");
    }
}

以上程式的執行結果為:

執行時長:1 秒.

執行時長:1000 毫秒.

執行時長:1000555100 納秒.

方法六:Guava Stopwatch

除了 Apache 的 commons-lang3 外,還有一個常用的 Java 工具包,那就是 Google 的 Guava,Guava 中也包含了 Stopwatch 統計類。
首先先新增 Guava 的依賴:

<!-- https://mvnrepository.com/artifact/com.google.guava/guava -->
<dependency>
  <groupId>com.google.guava</groupId>
  <artifactId>guava</artifactId>
  <version>29.0-jre</version>
</dependency>

然後編寫時間統計程式碼:

import com.google.common.base.Stopwatch;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class TimeIntervalTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 建立並啟動計時器
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        // 執行時間(1s)
        Thread.sleep(1000);
        // 停止計時器
        stopwatch.stop();
        // 執行時間(單位:秒)
        System.out.printf("執行時長:%d 秒. %n", stopwatch.elapsed().getSeconds()); // %n 為換行
        // 執行時間(單位:毫秒)
        System.out.printf("執行時長:%d 豪秒.", stopwatch.elapsed(TimeUnit.MILLISECONDS));
    }
}

以上程式的執行結果為:

執行時長:1 秒.

執行時長:1000 豪秒.

原理分析

本文我們從 Spring 和 Google 的 Guava 原始碼來分析一下,它們的 StopWatch 物件底層是如何實現的?

1.Spring StopWatch 原理分析

在 Spring 中 StopWatch 的核心原始碼如下:

package org.springframework.util;

import java.text.NumberFormat;
import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import org.springframework.lang.Nullable;

public class StopWatch {
    private final String id;
    private boolean keepTaskList;
    private final List<StopWatch.TaskInfo> taskList;
    private long startTimeNanos;
    @Nullable
    private String currentTaskName;
    @Nullable
    private StopWatch.TaskInfo lastTaskInfo;
    private int taskCount;
    private long totalTimeNanos;

    public StopWatch() {
        this("");
    }

    public StopWatch(String id) {
        this.keepTaskList = true;
        this.taskList = new LinkedList();
        this.id = id;
    }

    public String getId() {
        return this.id;
    }

    public void setKeepTaskList(boolean keepTaskList) {
        this.keepTaskList = keepTaskList;
    }

    public void start() throws IllegalStateException {
        this.start("");
    }

    public void start(String taskName) throws IllegalStateException {
        if (this.currentTaskName != null) {
            throw new IllegalStateException("Can't start StopWatch: it's already running");
        } else {
            this.currentTaskName = taskName;
            this.startTimeNanos = System.nanoTime();
        }
    }

    public void stop() throws IllegalStateException {
        if (this.currentTaskName == null) {
            throw new IllegalStateException("Can't stop StopWatch: it's not running");
        } else {
            long lastTime = System.nanoTime() - this.startTimeNanos;
            this.totalTimeNanos += lastTime;
            this.lastTaskInfo = new StopWatch.TaskInfo(this.currentTaskName, lastTime);
            if (this.keepTaskList) {
                this.taskList.add(this.lastTaskInfo);
            }

            ++this.taskCount;
            this.currentTaskName = null;
        }
    }
    // .... 忽略其他程式碼
}

從上述 start() 和 stop() 的原始碼中可以看出,Spring 實現時間統計的本質還是使用了 Java
的內建方法 System.nanoTime() 來實現的。

2.Google Stopwatch 原理分析

Google Stopwatch 實現的核心原始碼如下:

public final class Stopwatch {
    private final Ticker ticker;
    private boolean isRunning;
    private long elapsedNanos;
    private long startTick;
    @CanIgnoreReturnValue
    public Stopwatch start() {
        Preconditions.checkState(!this.isRunning, "This stopwatch is already running.");
        this.isRunning = true;
        this.startTick = this.ticker.read();
        return this;
    }

    @CanIgnoreReturnValue
    public Stopwatch stop() {
        long tick = this.ticker.read();
        Preconditions.checkState(this.isRunning, "This stopwatch is already stopped.");
        this.isRunning = false;
        this.elapsedNanos += tick - this.startTick;
        return this;
    }
    // 忽略其他原始碼...
}

從上述原始碼中可以看出 Stopwatch 物件中呼叫了 ticker 類來實現時間統計的,那接下來我們進入 ticker 類的實現原始碼:

public abstract class Ticker {
    private static final Ticker SYSTEM_TICKER = new Ticker() {
        public long read() {
            return Platform.systemNanoTime();
        }
    };
    protected Ticker() {
    }
    public abstract long read();
    public static Ticker systemTicker() {
        return SYSTEM_TICKER;
    }
}
final class Platform {
    private static final Logger logger = Logger.getLogger(Platform.class.getName());
    private static final PatternCompiler patternCompiler = loadPatternCompiler();

    private Platform() {
    }

    static long systemNanoTime() {
        return System.nanoTime();
    }
    // 忽略其他原始碼...
}

從上述原始碼可以看出 Google Stopwatch 實現時間統計的本質還是呼叫了 Java 內建的 System.nanoTime() 來實現的。

結論

對於所有框架的 StopWatch 來說,其底層都是通過呼叫 Java 內建的 System.nanoTime() 得到兩個時間,開始時間和結束時間,然後再通過結束時間減去開始時間來統計執行時間的。

總結

本文介紹了 6 種實現程式碼統計的方法,其中 3 種是 Java 內建的方法:

  • System.currentTimeMillis()
  • System.nanoTime()
  • new Date()

還介紹了 3 種常用框架 spring、commons-langs3、guava 的時間統計器 StopWatch

在沒有用到 spring、commons-langs3、guava 任意一種框架的情況下,推薦使用 System.currentTimeMillis()  System.nanoTime() 來實現程式碼統計,否則建議直接使用 StopWatch 物件來統計執行時間。

知識擴充套件—Stopwatch 讓統計更方便

StopWatch 存在的意義是讓程式碼統計更簡單,比如 Guava 中 StopWatch 使用示例如下:

import com.google.common.base.Stopwatch;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class TimeIntervalTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 建立並啟動計時器
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        // 執行時間(1s)
        Thread.sleep(1000);
        // 停止計時器
        stopwatch.stop();
        // 執行統計
        System.out.printf("執行時長:%d 毫秒. %n",
                stopwatch.elapsed(TimeUnit.MILLISECONDS));
        // 清空計時器
        stopwatch.reset();
        // 再次啟動統計
        stopwatch.start();
        // 執行時間(2s)
        Thread.sleep(2000);
        // 停止計時器
        stopwatch.stop();
        // 執行統計
        System.out.printf("執行時長:%d 秒. %n",
                stopwatch.elapsed(TimeUnit.MILLISECONDS));
    }
}

我們可以使用一個 Stopwatch 物件統計多段程式碼的執行時間,也可以通過指定時間型別直接統計出對應的時間間隔,比如我們可以指定時間的統計單位,如秒、毫秒、納秒等型別。

知識擴充套件—Stopwatch 讓統計更方便

StopWatch 存在的意義是讓程式碼統計更簡單,比如 Guava 中 StopWatch 使用示例如下:

import com.google.common.base.Stopwatch;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class TimeIntervalTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 建立並啟動計時器
        Stopwatch stopwatch = Stopwatch.createStarted();
        // 執行時間(1s)
        Thread.sleep(1000);
        // 停止計時器
        stopwatch.stop();
        // 執行統計
        System.out.printf("執行時長:%d 毫秒. %n",
                stopwatch.elapsed(TimeUnit.MILLISECONDS));
        // 清空計時器
        stopwatch.reset();
        // 再次啟動統計
        stopwatch.start();
        // 執行時間(2s)
        Thread.sleep(2000);
        // 停止計時器
        stopwatch.stop();
        // 執行統計
        System.out.printf("執行時長:%d 秒. %n",
                stopwatch.elapsed(TimeUnit.MILLISECONDS));
    }
}

我們可以使用一個 Stopwatch 物件統計多段程式碼的執行時間,也可以通過指定時間型別直接統計出對應的時間間隔,比如我們可以指定時間的統計單位,如秒、毫秒、納秒等型別。