benchmark::State

benchmark::State是Google Benchmark库中的一个核心类，用于管理单个基准测试的状态信息和控制基准测试的执行流程。在编写基准测试时，这个类提供了一套丰富的接口，允许用户获取测试循环的次数、调整测试参数、测量时间等，从而使基准测试既灵活又准确。以下是benchmark::State的一些主要用途和功能：

1. 控制测试循环

在基准测试中，通常需要重复执行某项操作多次以获得可靠的测量结果。benchmark::State通过一个迭代器来控制这个测试循环。例如：

for (auto _ : state) {// 需要测试性能的代码
}

这里的循环会自动根据测试的需要重复执行，直到Google Benchmark认为已经收集到足够的数据为止。

2. 测量时间

默认情况下，Google Benchmark会自动测量每次迭代的时间。然而，有时候我们可能需要排除一些准备工作的时间。此时，可以使用state.PauseTiming()和state.ResumeTiming()来暂停和恢复计时：

for (auto _ : state) {state.PauseTiming();// 不需要计入时间的准备工作state.ResumeTiming();// 被测量的代码
}

3. 自定义指标

除了时间，你还可以通过state.counters来报告其他自定义指标。例如：

for (auto _ : state) {// 测试代码state.counters["MyMetric"] = 1.23; // 设置自定义指标
}

4. 处理参数化测试

当你使用参数化的基准测试时，可以通过state.range(0)等方法来获取测试参数的值，这对于执行需要不同输入大小的测试非常有用。

static void BM_SomeFunction(benchmark::State& state) {int input = state.range(0);for (auto _ : state) {// 使用input作为输入的测试代码}
}
BENCHMARK(BM_SomeFunction)->Arg(8)->Arg(64)->Arg(512); // 参数化测试

原理

C++中的基准测试（Benchmarking）主要是衡量某段代码或程序在特定条件下的性能表现，如执行时间、内存使用、CPU周期等。Google Benchmark是C++中常用的一个基准测试库，其原理和实现方式代表了C++基准测试的典型做法。以下是C++基准测试的一般原理和关键概念：

1. 重复执行：

基准测试通过重复执行被测代码多次来获得一个平均值，以减少测试结果的误差。由于操作系统和硬件的复杂性，单次执行的时间可能会受到很多因素的影响，重复执行可以帮助平滑这些随机波动。

2. 自动调整迭代次数：

为了确保测试结果的准确性，Google Benchmark等库会自动调整每个测试循环的迭代次数。库会根据前几次迭代的执行时间动态调整，以确保总的测试时间既不会太长，也足以获得稳定的性能数据。

3. 避免优化：

编译器的优化可能会改变代码的执行方式，甚至完全移除某些看似“无用”的代码。为了防止这种情况，基准测试库提供了特定的机制来“欺骗”编译器，防止它过度优化。例如，使用volatile关键字或者通过某些方法将结果输出到黑盒（black hole）函数。

4. 精确计时：

基准测试需要非常精确地测量时间。这通常通过使用操作系统提供的高精度计时器实现，如Linux上的clock_gettime或Windows上的QueryPerformanceCounter。

5. 统计分析：

简单的平均值可能不足以反映真实的性能表现，因此高级的基准测试工具还会提供更多统计数据，如中位数、标准差等，以及运行结果的置信区间。这有助于更全面地了解性能特性。

6. 参数化测试：

对于需要测试不同输入或条件下性能的情况，基准测试库允许参数化测试，即同一段代码可以自动应用多组参数进行测试，方便评估在不同条件下的性能差异。

7. 隔离和控制：

为了确保测试结果的稳定和可比较，基准测试尽可能在隔离的环境下运行，并控制外部变量的干扰，如尝试禁用系统的动态频率调整等。

实现概览：

• 测试循环： 通过编写特定的测试函数，并在函数体内使用循环，让Google Benchmark等库控制循环次数。
• 计时和控制： 使用库提供的API进行精确计时，暂停计时（在准备阶段），以及恢复计时（在测试阶段）。
• 结果报告： 最后，基凊测试库会收集所有迭代的执行时间，计算并报告最终的性能指标。