Microbenchmarking 101

ספריית Jackson היא ספריה פופולרית בעולם ה JVM ליצירה / פענוח של JSON (וגם XML) - פעולה חשובה ושימושית.

במדריך הביצועים של הספרייה מצוין בכלל מספר 1:

בגלל שמדובר בכלל הראשון ברשימה, אני מניח שהוא חשוב - ומתחיל לבצע reuse בקוד ל ObjectMapper, כפי שהמליצו.

• עד כמה זה חשוב? עד כמה זה משמעותי? 
• האם עלי להימנע לגמרי מיצירה של מופעים ב ObjectMapper באותה המחלקה?
• האם כדאי ללכת צעד אחד הלאה, ולשתף את המופע בין מחלקות שונות ?(כאן נוספת תלות בין מחלקות - מחיר לאיכות הקוד שאעדיף מאוד שלא לשלם)

טוב... ברוכים הבאים לעולם המתעתע והחמקמק של microbenchmarks (לצורף הפוסט: מדידונים).

• כאשר אנחנו רוצים למדוד ביצועים של מערכת / מודול / ספריה - אנו עושים בדיקת ביצועים.
• כאשר אנחנו רוצים למדוד ביצועים של פעולה קטנה / נקודתית - אנו משתמשים במדידון.

בשני המקרים, ובבדיקות ביצועים בכלל, ישנה קרקע פוריה לטעויות מדידה, וטעויות הבנה. לא פעם אנו נתקלים במבחני-ביצועים "סינתטיים" (בודקים סדרת-פעולות בסביבה סטרילית ומבודדת) המראים תמונה אחת - בעוד בשימוש במוצר הנבדק ב"שימוש רגיל" - התוצאות שונות לחלוטין.
שתי דוגמאות מעולם החומרה שקופצות לי הן זיכרונות (RAM) עם תדר גבוה, ודיסקים בממשק NVMe. לשניהם מבחנים סינתטיים מדהימים - עם תוצאות סולידיות בהרבה בשימוש ב"עולם האמיתי". תוכנה היא לא שונה.

אז איך בונים מבחני-ביצועים טובים ויעילים, או במקרה שלנו: מדידונים טובים ויעילים לסביבת ה JVM?

ע"פ המלצת המומחים (לפחות אחד מהם), הצעד הראשון הוא לממש JVM בעצמכם - על מנת להבין את ה JIT בצורה טובה, ניהול זיכרון, ואת האופטימיזיות השונות שיכולות בקלות להפוך את המבחן שלכם ללא-רלוונטי.

העצה הזו היא טובה - אך לא שימושית ל 99% ויותר מהאוכלוסייה.
עוד עצה טובה ומקובלת היא לבחון את ה Byte Code שהופק מהמדידון - גם עליה כ 98% מהאוכלוסייה תוותר.

מכיוון שהצורך בביצוע מדידונים הוא אמיתי וחשוב, אנו נעבור בפוסט על כמה עקרונות חשובים שיעזרו לעשות את המדידונים טובים יותר - גם אם לא מושלמים.


ככלל - חשוב להתייחס לתוצאות מדידונים בזהירות ובספקנות.
אני לא יודע כיצד להדגיש זאת מספיק: כל טעות קטנה במדידון עשויה "לזרוק" את התוצאות עשרות ואף מאות אחוזים מהמציאות.
התייחסו לתוצאות המדידונים בזהירות, והטילו בהם ספק. בניית מדידונים מדויקים זו פעולה קשה הדורשת מומחיות עמוקה שאין לרובנו.

מדידון - הבסיס

כאשר אנו עושים בדיקת ביצועים פשוטה, חשוב להקפיד על כמה כללי בסיס:

מדידון לא-מושלם מאחד הפוסטים האחרונים. כבר במעבר ראשון עולות כמה נקודות לשיפור.

1. לעבוד עם כמות גדולה של איטרציות, על מנת לקבל תוצאה חזקה יותר סטטיסטית ולבטל במידת האפשר רעשי-מדידה.
1. למשל: שעון החומרה המספק את הזמן, והבאת הערך ממנו, יכולה לספק טעות מסויימת. מקרה נדיר אך אפשרי הוא NTP שפועל תוך כדי המדידה ומשנה את השעון בעשרות מילי-שניות, ויותר.
2. כלל האצבע הוא להריץ בדיקה שתארוך כמה שניות לפחות - על מנת לבטל טעויות שעון בבטחה.
2. כל פעולה שאיננה קשורה לבדיקה, למשל אתחולים או הכנת נתונים - יש להכין לפני.
1. נקודה לשיפור בדוגמה: גם את היצירה של a,b ו map - היה כדאי לייצר מחוץ למדידה.
3. לרוץ על הנתונים לפחות פעם אחת על מנת "לחמם" caches. בשפה כמו C - מעבר פשוט על המערך הוא מספיק. בשפת JVM זה לא מספיק, ויש שתי "תקלות" בחימום הזה:
1. נקודה חשובה לשיפור בדוגמה: להריץ יותר מפעם אחת, ולהריץ את הקוד המלא בכל המסלולים האפשריים - על מנת לתת ל JVM לבצע אופטימיזציות לפני שאנו מתחילים למדוד. אוי.
2. נקודה חשובה לשיפור בדוגמה: אין קריאה של הנתונים מחוץ ללולאה, וה compiler עלול להסיר את הלולאה הזו לגמרי מהקוד (כי אין לה השפעה על כלל המערכת). אאוץ.
4. למדוד את זמן הריצה: mesureTimeMillis היא פונקציה פשוטה בקוטלין שמקבלת למבדה, לוקחת שעות לפני, מריצה, אחרי - ומחזירה את ההפרש בין השעונים.
1. נקודה קטנה לשיפור בדוגמה: למרות ששימוש ב ()System.currentTimeMillis נשמע מספיק טוב, עדיף להשתמש ב ()System.nanoTime.
   Milis - מתאימה לזמן השעון, פחות מדויקת, וזמן השעון עלול להשתנות בזמן הריצה (למשל NTP).
   nano - לא באמת מחזירה רזולוציה של nanos (תלוי בחומרה + זה רק ה scale של המספר), ולא מבטיחה שאכן מדובר בשעה המדויקת (לכן חסרה את המילה current). בכל זאת: יותר מדויקת, ומתאימה יותר למדידות ביצועים.
   אם אתם מתעניינים - הנה נתונים נוספים.
5. לצמצם את ה overhead של האיטרציה במידת האפשר.
1. נקודה קטנה לשיפור בדוגמה: היה עדיף לרוץ ב index-based for loop, היעילה יותר מעבודה עם iterator.
2. ספציפית בקוטלין איטרציה על Range או מערך דווקא כן מתרגמת ל index-based loop. במקרה שלנו מדובר ב collection.
6. להריץ את כל ה benchmark כמה פעמים. כפי שניתן לראות מה comments, הייתה שונות בין של עשרות אחוזים כבר בין כמה הרצות בודדות.

סה"כ זהו מדידון בינוני מבחינת דיוק. על כן צוין בכתבה המקורית:

ניתן היה לכתוב מדידון נכון יותר.

הסכנות שבמדידון על גבי ה JVM

ביצוע מדידות על גבי קוד המקומפל לקוד מכונה (למשל: כמו שפת C) - הוא דבר אחד, וכיסינו למעלה את עיקרי הדברים שיש לשים לב אליהם.

ביצוע מדידות על גבי JVM, האגרסיבי מאוד באופטימיזציות, ומבצע חלק מהן תוך כדי ריצה - זה דבר אחר לגמרי.

סביבת ה JVM היא סביבה קשה במיוחד עבור מדידונים.

הנה דוגמאות עיקריות לבעיות, וכיצד ניתן להתמודד עימן:

• ה JVM יראה את אופן ריצת הקוד ויבצע שיפורים והתאמות (deoptimization, recompilation effects, וכו') תוך כדי ריצה.
  mitigation: הרצת המדידה עצמה, בשלב ה warmup - על מנת שה JIT יעשה את השיפורים שם ולא בזמן המדידה. כלל האצבע: לעשות כמה עשרות אלפי איטרציות (כלומר: בלולאה) בשלב החימום. כל מסלול קוד אפשרי - צריך להתבצע עוד בשלב החימום.
  שווה גם להשתמש ב XX:+AggressiveOpts- על מנת שהאופטימיזציות יקרו מהר. אתם ממש תראו איך בכמה cycles של ה warmup יש שיפור - ואז יציבות. (ואם לא - הגדילו את ה warmups).
• עשויות להתבצע פעולות קומפילציה ו/או GC בזמן הרצת המדידון - פעולות שישבשו את התוצאות.
  mitigation השתמשו ב XX:+PrintCompilation- ו verbose:gc- + הדפסה לפני ואחרי המדידה, על מנת שאם זה קרה זה יודפס בזמן ההרצה ותדאו להתעלם מהתוצאות.
• כמובן שאתם יודעים שהדפסה בפעם הראשונה בתהליך JVM אחראי לחלק מהתאחולים במערכת - וחשוב שהדפסה ראשונה תהיה בשלב החימום.
• חשוב לרוץ על סביבה נקיה, בה ה JVM "שקט" ככל האפשר.
  mitigation: נסו שהמדידון יהיה ה JVM היחידי, השתמשו ב Xbatch- על מנת שהקומפילציה תפעל רק לפני ההרצה, ו -XX:CICompilerCount=1 שלא יפעל במקביל, דאגו של JVM יש מספיק זכרון ושלא יהיה עליו להקצות בזמן הבדיקה. (Xmx==Mxs). מומלץ גם לקרוא ל ()System.gc בין הבדיקות. יש גם גישה שאומרת: הפעילו JVM חדש בכל הרצת בדיקה.
• ישנן אופטימיזציות רבות על לולאות, למשל: hoisting של קוד מתוך הלולאה על מנת להפחית את ה overhead שלה. במקרים מסוימים פי 10 הרצות - יגרמו לאופטימיזציה לפעול, ולקוד לרוץ יותר מהר.
  mitigation: להריץ הרבה מאוד איטרציות בדי להנות מכל אופטימיזציה אפשרית. הרבה יותר קשה: לא להשתמש בלולאות של השפה, אלא לקרוא לפונקציה ב reflection ולמדוד את ההרצה בניקוי זמן הקריאה לפונקציה. בעיקרון קריאה לפונקציה, למרות התקורה הגבוהה יותר, נחשבת הדרך המדוייקת יותר לביצוע בדיקות. הנה דוגמה למקרה בו המעבר לפונקציה הפך בדיקה מחסרת חשיבות (אותה תוצאה להרצה ריקה מול הרצת לוגיקה) - למשמעותית.
• Dead Code elimination: קוד שלא באמת בשימוש, ואין לו השפעה חיצונית - יבוטל ע"י אופטימיזציות של ה JVM.
  mitigation: חשוב שכל משתנה ששמנו בו ערך, יקרא לפחות פעם אחת - אחרת הקומפיילר עשוי "לסלק" את כל הקוד שרק מבצע השמה.
• Constant Folding optimization - אם המעבד חישוב המבוסס על ערכים שלא משתנים, הוא יכול לשמור את תוצאות החישוב ולהשתמש בה שוב. האופטימיזציה הזו תקרה כאשר קוראים לאותו קוד שוב ושוב, ופחות בתסריט אמיתי ומורכב.
  mitigation: לא קל. עלינו לבלבל את ה JVM שלא יוכל לעשות את האופטימיזציה הזו...
• אם הקוד צפוי, יהיו אופטימזציות אחרות של ה JVM ושל המעבד, שינצלו pipelining ארוך ו branch prediction.
  mitigation: דורשת מומחיות ברמת ה JVM... אין פתרון קל.

בקיצור: אם אתם לא מחליפים מקצוע למומחי בדיקות-ביצועים, אבל עדיין רוצים להריץ פה ושם מדידונים, מומלץ:

• להתייחס בזהירות לתוצאות של מדידונים. 
• להסתמך בעיקר על מגמות ("x מהיר משמעותית מ y" או "x מהיר רק מעט יותר מ y") - ולא על מספרים מדויקים ("x מהיר ב 10ns" או "x מהיר ב 10%", הן מסקנות לא חזקות לניבוי תוצאות בהרצה בסביבה אפילו מעט שונה).
• לזכור שהתוצאות הן לחומרה ספציפית, מערכת הפעלה ספציפית, וגרסת תוכנה ספציפית (כל הרכיבים השונים). לא בהכרח התוצאות יתורגמו בצורה טובה למערכות אחרות.
• להיות תמיד פתוחים לכך שהמדידון בעצם איננו מתאר את המצב במדיוק, ויש לשקול שנית את המסקנות (בעיקר כאשר ההבדלים בין ההרצות אינם שונים בסדר גודל).
• להשתמש ב Framework שיגן עליכם בפני חלק גדול מהטעויות וההטיות האפשריות. ספיציפית: jmh.
• jmh מסייע להתמודד עם כל הבעיות המסומנות בירוק למעלה. חלקן דורשות מעט חשיבה והתייחסות בקוד - אבל זה עולם אחר לגמרי מלנסות להתמודד איתן לבד.
• יש גם את Caliper, אבל הוא נחשב פחות מדויק. הנה הסבר מפורט מדוע.

חזרה לשאלה המקורית: כמה "יקר" ליצור מופע של ObjectMapper בכל שימוש?

הכל התחיל מכך שרצינו לדעת כמה משמעותי הוא לעשות caching למופע של ObjectMapper מול יצירה של מופע עבור כל פעולת de/)serialization). כפי שאמרנו, בדיקה מספרית היא לא מדוייקת ולא נכון להשתמש בנתון המספרי כמדויק. למשל: "יצירה של מופע ObjectMapper אורך כ 10 מיקרו-שניות"

כן כדאי לראות את המגמה. אם אני יודע שקריאה הכי בסיסית לבסיס נתונים אורכת כ 2-3 מילי-שניות, אזי אם ארצה לשפר את ביצועי המערכת אלך קודם כל לצמצם קריאה אחת מיותרת לבסיס הנתנים (אולי יותר, ואולי כבדה) ורק אח"כ לנסות לצמצם מאות (פלוס מינוס) מופעים של יצירה של אובייקט Object Mapper.

אם יצירה של מופע ObjectMapper אורכת כ 10 מילי-שניות (פלוס מינוס), אזי ברור לי שכדאי לצמצם מופעים באותו סדר גודל של דחיפות של צמצום פעולות לבסיס הנתונים - וזו כנראה תהיה עבודה קלה הרבה יותר.


בואו נצא לדרך:

1. המפתח לשימוש ב jmh הוא ה Annotation בשם Benchmark@. הוא יגרום ל jmh לג'נרט את קוד הבדיקה בצורה "בטוחה מהטיות", במידת האפשר.
   פעם אחת (newMapper) אני בודק יצירה של mapper ושימוש בו.
   בפעם אחרת (reuseMapper) שימוש-חוזר ב mapper ואז שימוש בו.
   השתמשתי בפונקציה בשם ()improvedJsonMapper בה אנחנו משתמשים ליצור ObjectMapper ולהגדיר עליו כמה מודולים והגדרות נוסופות. אם כבר - אז כבר.
1. שימו לב לאובייקט Blackhole, המוזר לכאורה. הוא מסייע לי לבטל אופטימיזציות של Dead code elimination שהזכרנו למעלה, ותפקידו הוא לא-לספק ל JIT שום מידע האם בערך שהועבר אליו נעשה שימוש.
2. אני מנסה לתת הקשר יותר הגיוני לבדיקה, ולא רק לייצר מופע ל ObjectMapper. כל מופע דורש שימוש. אם השימוש היה יקר בסדרי גודל מהיצירה - לא משנה לי כמה היצירה היא יקרה. זה יהיה "בטל בשישים".
3. יצרתי שימוש קטן (tiny) ושימוש קטן (small). ראיתי בינהם הבדל לא מוסבר תוצאות (עוד בהמשך), ולכן הוספתי מקרה עם הרבה נתונים (large).
   מבחני-ביצועים הם, בפוטנציה - מחקר בלתי-נגמר.
   דיונים בתוצאות מבחני-ביצועים - עלולים להיגרר לדיון בלתי-נגמר.
   לכן, כדאי לזכור מה רוצים להשיג - ולשים גבולות לזמן המושקע.
2. אנחנו מעבירים גם אובייקט state המגיע מבחוץ על מנת להתמודד עם אופטימיזציית Constant Folding. חשוב  שכל הפרמטרים שבשימש יועברו מבחוץ ובאופן זהה. למשל: גם לבדיקה newMapper העברתי את ה mapper הגלובאלי שנוצר - על מנת "ליישר קו".
1. בחרתי ב scope גלובאלי (Benchmark) כי אין פה נושא של מקביליות. שימוש ב scope של thread יצר שונות גדולה יותר בתוצאות הבדיקות, כנראה בגלל אתחולים נוספים של ה state.
2. Params@ הם המקבילים ב Parameterized Tests של JUnit - לכל ערך תרוץ איטרציה נפרדת של הבדיקה עם הערך הנתון. הפרמטרים תמיד יוגדרו כמחרוזות, אך יומרו לטיפוס של השדה.
   שמות משמעותיים - עוזרים לעקוב ולהבין את התוצאות.
3. את אתחול ה state מומלץ לעשות במתודת Setup@ - המובטח שתקרא מחוץ ל scope של המדידות.
   ישנן שלוש רמות של הרצה:
1. trial - כל ההרצות של Benchmark@ לפי Param@ (הרמה הגבוהה ביותר).
2. iteration - כל הפעלה של warm-up או מדידה אמיתית בתוך ה trial
3. invocation - הקריאה הבודדת לקוד שב Benchmark@
3. בצל התוצאות המעט מוזרות, וגם כדי להראות שימוש ביכולת ה TearDown - רציתי לוודא שהבדיקה רצה כפי שהתווכנתי. מה יותר טבעי מהדפסה?
   בכדי לא להפריע, את ההדפסה עושים מחוץ לזמן הבדיקות. הנתונים אכן כפי שציפיתי שיהיו.
4. כמה הגדרות אחרונות ששוה להזכיר:
1. אני רוצה למדוד זמן ריצה ממוצע. גישה אחרת היא למדוד Throughput, ויש גם אפשרויות נוספות.
2. בקלט של הבדיקה נוח לעבוד עם מידת זמן בסדר גודל רלוונטי. במקרה שלנו : מיקרו-שניות.
3. ה hint ל JIT מבקש ממנו לא לעשות inline לקוד. הוא לא נדרש בבדיקה הזו ספציפית - אך זה הרגל טוב.
4. שימו לב שה class צריך להיות פתוח (ברירת המחדל ב Java) - על מנת שה generated code יוכל לרשת ממנו.

והנה התוצאה:

יש אנומליה בתוצאה, שאני לא יודע (כרגע) להסביר: הייתי מצפה שיצירה של mapper תוסיף זמן קבוע, ולא זמן שתלוי בגודל הקלט. הרצתי את הבדיקה כמה פעמים / וריאציות - והתוצאה אמינה.

הסבר יחידי שאני יכול לחשוב עליו, הוא שה mapper מבצע אתחולים נוספים בתוכו בשל הקלט השונה. למשל: טיפול בממשק Map (שלא מופיע ב tiny data) או כמות נתונים גדולה יותר. זו ספקולציה בלבד.


אתמקד בצורך שהביא אותי לכאן: האם / באיזו מידה אני רוצה לעשות שימוש חוזר ב ObjectMapper?
אני יכול להגיע כבר להחלטה שאני מרגיש נוח איתה:

• אשתדל להשתמש במופע של mapper בתוך אותה מחלקה. כדאי - אבל לא חובה (גם 30 מיקרו-שניות, זה לא הרבה)
• לא אצור, בשום מקרה, אובייקט mapper בתוך לולאה.
• בהחלט לא אנסה לשתף מופעים של mapper בין מחלקות. השיפור לא מצדיק את פריצת ההכמסה.

את הקוד של ה benchmark, כולל הגדרות maven שלקח לי קצת זמן להגיע אליהן בכדי להריץ את הקוד בקוטלין ניתן למצוא ב github.
ב repository גם תמצאו קובץ shell script שבו אני משתמש להרצה, עם הגדרות ברירת-מחדל שאני מאמין שהן טובות למדי.
שווה לציין שיש plugin ל IntelliJ ל jmh, אבל הוא לא עובד עם קוטלין, ובכלל - אני מאמין שנכון וטוב יותר להריץ את jmh מתוך java -jar.


שיהיה בהצלחה!


תודה מיוחדת לחיים ידיד, מומחה ביצועים מהמעלה הראשונה, חבר, ואיש תוכנה בכלל - שנתן כמה הערות מועילות.



----

קישורים רלוונטיים

המדריך המועדף עלי ל jmh
JVM Anatomy Park - מדריך לאופטימיזציות השונות של ה JVM
קישור למצגת מאת Aleksey Shipilёv (מומחה עולמי בתחום ה microbenchmarking) שמסבירה ומדגימה כמה בעיות אפשריות בביצוע מדידונים

מה *לא* לימדו אותנו באוניברסיטה על מבני-נתונים? חלק ב'

בפוסט הקודם, הצגתי שני עקרונות חשובים של מבני-נתונים שלא הבנתי עד שלב מאוחר יותר בקריירה: חוק המספרים הקטנים (אמרו לי, אבל לא הדגישו עד כמה) ועיקרון המקומיות של נתונים.

בפוסט הזה אני רוצה לגעת בעוד כמה עניינים מעוררי-מחשבה:

• מדוע HashTable לא באמת פועל ב (Θ(1?
• מדוע עבודה על איברים בודדים במערך ממוין - מהירה יותר מעבודה על מערך לא ממוין? 
• כיצד Regular Expressions עלולים להוסיף סיבוכיות מיותרת?
• מהו אלגוריתם המיון היעיל והנפוץ ביותר - שאתם כנראה לא מכירים?

בואו נתחיל!

לא כל ה hashtables נולדו שווים. זמני הכנסה של מיליוני איברים.

מיתוס: HashTable מכניס ושולף איברים ב (Θ(1

בקורס מבני-נתונים כנראה ולימדו אותנו ש HashTable מכניס/מוחק/שולף איברים בזמן קבוע - ולכן ניתן להסיק שזה זמן טוב מאוד.

זה לא מדויק. זהו פישוט משמעותי - שאכן שימושי לעבודה בסטים קטנים של נתונים.
רוב הזמן אנו עובדים עם HashTables המחזיקים מאות או אלפי איברים לכל היותר. חוק המספרים הקטנים חל כאן - ואין טעם לנסות ולחפש אופטימיזציה.

אבל, כאשר אנו מטפלים בכמויות גדולות של נתונים, חשוב להבין:

זמן הריצה של ה hash function איננו אפסי. פונקציית hash אורכות זמן, בד"כ כפונקציה יחסית לקלט.
אם נניח, לצורך הפשטות, שהמפתח (key) ב HashTable הוא מחרוזת, אזי יהיה נכון לומר שזמן הכנסה של איבר הוא (Θ(k כאשר הוא k תלוי באופן ישיר באורך המחרוזת. זמן הביצוע תלוי גם בפונקציית ה hash הספציפית שנבחרה, ופונקציות hash "איכותיות" המספקות פיזור קרוב יותר לאחיד - רצות לאורך זמן רב יותר.

במקרה והמפתח של ה HashTable הוא אובייקט מורכב - ייתכן וזמן הריצה יהיה משמעותי.

חשוב לזכור שאת פונקציית ה hash לא מחשבים רק בהכנסה של איבר, אלא גם בכל שליפה.
כאשר יש התנגשויות (collisions) אזי יש לקחת בחשבון גם n קטן של השוואות.

נניח ועלינו לשלוף מתוך סט של M איברים - כ m איברים. עומדות לפנינו 2 ברירות:

• לשלוף m איברים מתוך HashTable, בזה אחר זה.
• לסרוק את כל המערך בגודל M ולמצוא את האיברים.
• להזכיר: ה HashTable משתמש במערך, מאחורי הקלעים.

בהסתכלות נאיבית נראה שהבחירה היא בין (Θ(M לבין (Θ(m (כאשר M > m) - בחירה קלה למדי.

בפועל הבחירה היא בין (Θ(M לבין (Θ(m*k, כאשר סביר להניח ש k (זמן הריצה של ה hash function כתלות באורך הקלט) יהיה גדול בעשרת מונים, לכל הפחות, מפעולת שליפה של איבר בודד ממערך.
בסריקה סדרתית של המערך, כפי שאנו יודעים - אנו נהנים גם Data locality של הנתונים. בלוקי-הזיכרון יובאו לזיכרון פעם אחת, וינוצלו במלואם.


אפשר לומר שאם M/m < 10 - אזי בוודאי עדיף לסרוק את המערך.
הדבר עשוי להיות נכון גם ל M/m < 100 ואולי אף יותר - יש לבדוק כל מקרה לגופו.


מכאן, כדאי לזכור:

• כאשר יש לנו בעיות ביצועים, במיוחד בלולאה ששולפת ומכניסה ל HashTable - אל תניחו שזמן השליפה מתוך ה HashTable הוא זניח.
• שימוש באובייקט עסקי (למשל: Customer) בתור מפתח ל HashTable עשוי להיות מיפוי עסקי מבריק.
• כאשר חוק המספרים הקטנים פועל - אין בעיה.
• כאשר אנו נדרשים לספק ביצועים גבוהים על כמויות גדולות של נתונים - אובייקט גדול כמפתח עשוי להיות רעה חולה.
• שווה גם להזכיר את העניין הידוע בג'אווה שאם אתם דורסים את מתודת ()equals עליכם לדרוס גם את ()hashCode, וליהפך.

Benchmark פשוט שהרצתי כמה פעמים בכדי להראות שהכנסה ל HashTable היא לא כמו הכנסה ל ArrayList. להמחשה בלבד.

חזרה ל Data Locality

נושא מרכזי שעסקתי בו בפוסט הקודם היה Data Locality: איזו יתרון יש, בארכיטקטורת מחשבים בת-זמננו, לגישה לזיכרון רציף כך שהנתונים יוגשו מה Caches הקרובים ביותר (L1>L2>L3). אנו רוצים לצמצם ככל האפשר גישות לזיכרון הראשי או (חס וחלילה!) לדיסק.

כ 85% משטח ה CPU המודרני מוקצה ל Caches, וכמעט כל השטח קשור באופן ישיר לאכסון או העברה יעילה של נתונים. Data Locality איננו פרט שולי - אלא עקרון מרכזי בארכיטקטורה של מעבדים מודרנים.

הנה הרצאה של Herb Sutter (מחבר סדרת הספרים ++Exceptional C) בנושא.
עוד מקור מוצלח הוא המצגת Pitfalls of OO Programming - המיועדת במקור למפתחי מנועי משחקי-מחשב, היכן שהשיקולים הללו הם מלאכה יום-יומית.

החשיבה על Data Locality איננה נכונה רק למבני-נתונים, אלא לכל רצף ארוך של פעולות שאנו מבצעים. פעולות כאלו לרוב יכללו מבני-נתונים - אך לא תמיד.

עקרון ה Locality מגיע בשני אופנים:

1. מקומיות זמנית - כאשר ניגשים ל(בלוק) זיכרון, סביר מאוד שניגש שוב לאותו בלוק בזמן הקרוב. באופן אידאלי - אותו בלוק זיכרון עדיין יהיה ב cache קרוב, ולא נצטרך להביא אותו שוב.
2. מקומיות מרחבית - אנו שומרים נתונים הקשורים זה-לזה בקרבה פיסית בזיכרון, כך שגישה לבלוק אחד מצדיקה הבאה של בלוקים "שכנים" מתוך ידיעה שיש סבירות גבוהה שיהיו גישות בזמן הקרוב גם לנתונים הללו.

למשל: כשעוברים על מערך דו-מימדי עדיף הרבה יותר לעבור שורה-שורה (כלומר: על איברים במערך הפנימי ברצף) מאשר לעבור על הטורים ו"לקפוץ" כל פעם בין המערכים הרציפים שהוקצו.

יעילות ה cache בשני מימושים דומים. סדר הגישה העדיף כמובן תלוי במימוש הספציפי של שפת התכנות / סביבת הריצה שאנו עובדים בה.

דוגמה עדכנית נוספת יכולה להיות Streams:

• כל הפעולות ב Stream יפעלו ברצף איבר-איבר. הדבר מאפשר מקומיות זמנית ברמה הגבוהה ביותר של caching, ב registers של המעבד (ה cache המהיר ביותר) - מה ברוב הפעמים יתרום לביצועים.
• כאשר יש ברצף הפעולות פעולות "רוחביות" (כגון sorting) אזי דווקא עדיף להשתמש ב collection ולא ב stream - בכדי ליהנות ממקומיות מרחבית.

בשפת קוטלין ברירת המחדש היא עבודה ב collections, ועל מנת לבחור ב stream יש להשתמש ב ()asSequence.

כמובן שכל היתרונות הללו בטלים בשישים - כאשר מדובר בחוק המספרים הקטנים. כלומר: אל תחשבו עליהם אפילו - אם מדובר במאות איברים או פחות.
כאשר אנו עובדים על כמות קטנה של נתונים - הם ככל הנראה יתאימו ל cache, גם אם יוגשו מעשרות בלוקים שונים של זיכרון. הדבר כן עשוי לידי ביטוי אם אנו מבצעים את הפעולה הזו שוב ושוב - עבור נתונים שונים.

מדוע עבודה על איברים בודדים במערך ממוין - מהירה יותר מעבודה על מערך לא ממוין? 

כמובן שזה לא המקרה תמיד, אבל זה בהחלט עשוי לקרות.

הביטו שניה בקוד הבא ונסו לחשוב כיצד הדבר קורה:

העניין פה הוא אופטימיזציה ברמת המעבד הנקראת Branch Prediction.

בגדול, ה CPU עובד ב pipeline ארוך של פעולות. כלומר: הפעלת רצף פעולות יעלה רק מעט יותר מהפעלה של פעולה בודדת.
כאשר יש להמתין לתשובה בבחירת הפעולה הבאה - הרצף נשבר, והיתרון בהפעלה של pipeline ״באוטומט״ - אובד.

מתי זה שימושי?
למשל כאשר יש משפטי if בולאנים ולאחריהם פעולה פשוטה. בזמן שממתינים לתוצאה של תנאי ה if - המעבד יכול לבצע כבר פעולה נוספת באותו ה pipeline.

במקרה שלנו יש Branch prediction על הפעולה : (if (data[c] >= 128.
השורה העוקבת היא פעולה פשוטה שהמעבד יכול להפעיל בזמן שהוא ממתין לתוצאת ה if. האלטרנטיבה (תחילת איטרציה חדשה) - היא כבר פעולה כבדה יותר. מכאן סביר שהמעבד יבחר בשורה העוקבת ו״ידחוף״ אותה ל pipeline.

אם הוא צדק בניחוש - הוא ייקח את תוצאת החישוב שאליה הגיע (התוצאה של הפעלת ()data[c].toLong)  - וישתמש בה.
אם טעה - לא נורא. הוא "יזרוק" את מה שהכין - וימשיך ב branch השני (במקרה הזה - קידום הלולאה). בכל מקרה הוא לא היה מסוגל לפעול מהר יותר.

כאשר המערך ממוין, ובמיוחד במקרה כמו שלנו בו יש טווח מאוד מצומצם של 256*2 ערכים אפשריים - הניחושים של ה CPU עומדים להיות טובים מאוד (אפשר לומר: על סף האופטימליים).

לכן, כאשר המערך ממוין, הטרנספורמציה ל long מתרחשת בתוך אותו ה pipeline כמעט תמיד ובעלות זניחה, בעוד כאשר המערך לא ממוין, זה יקרה רק לפעמים (כ 50% מהמקרים).
כפי שניתן לראות - הפערים בזמני הביצוע הם משמעותיים למדי (ב ++C הפערים מגיעים לכמעט פי 10).


המסקנה היא לא לתכנן את הקוד שלכם בכדי שינצל נכון branch prediction. אם זה מה שהבנם - אז הבנתם לא נכון.
הבאתי את הדוגמה מכיוון שהיא מעניינת ועשויה לעורר את החשיבה.
לכו עם המעבד - ולא נגדו. זה ישתלם לכם. ברמה היום-יומית התרגום של זה הוא לנסות להקפיד על Data Locality - בעבודה על סטים גדולים של נתונים.

מילה על Regular Expression

Regex אינם מבני-נתונים. מה הם עושים כאן בפוסט?!

הכללתי את הנושא, כי הוא כולל אלמנטים משיקים.
פגשתי לא פעם אנשי-תוכנה שהיו משוכנעים שאם הם יגדירו ביטוי כ Regex ו״יעברו שלב קומפילציה" (בניית ה matcher) - אזי מובטח להם שה Regex יהיה יעיל יותר מקוד שיכתבו.

Regex הוא בגדול כלי productivity: לכתוב ביטוי Regex ייקח, ברוב הפעמים, פחות זמן מלכתוב קוד מקביל שיבצע פעולה דומה.
זמני הריצה של ה RegEx תלויים מאוד בביטוי, כאשר ביטויים מסוימים מחושבים ב (O(1, אחרים ב (O(n, אולי (O(n^2 ועד סיבוכיות שלא ניתן לתאר. הם בהחלט לא חייבים להיות (O(n.

למשל, לפני זמן לא רב נתקלתי ב Unit Test שזמן הריצה שלו עלה מ ms בודדים - לשלוש דקות בגלל הרצה של Regex מסובך למדי.
הנה סיפור על Regex שרץ לאורך 5 יממות - והוחלף ע"י כלי אחר שעשה את העבודה ב 15 דקות (פשוט ירידה בסיבוכיות - אין כאן קסמים).

בקיצור:

• אל תניחו שזמן הריצה של Regex הוא לינאי או קרוב לכך. הכל תלוי בביטוי הספציפי.
• כש Regex הופך לבעיה, בדקו כיצד ניתן לשפר את הביטוי בכדי לקבל סיבוכיות מסדר גודל קטן יותר.
• תמיד יש את האופציה הלגיטימית לכתוב custom code - ברמת סיבוכיות ואופטימיזציה גבוהה יותר.

בקצרה: מבני-נתונים ואלגוריתמים מקובלים - שכדאי להיות מודעים אליהם

מיון

שתי שפות התכנות הנפוצות ביותר בעולם כיום הן, ככל הנראה: ג'אווה ופייטון [א].

מה אלגוריתם החיפוש של הספריה הסטנדרטית שלהן?

• QuickSort (היה נכון פעם ל ++C) - לא.    עדכון: פרמיטיביים בג'אווה ממוינים בעזרת DualPivotQuicksort. יש לו עניין של instability - אך זה לא רלוונטי לפרמיטביים.
• MergeSort (פעם היה בג'אווה) - לא.
• BubbleSort? - אל תהיו מצחיקים!

אז מה? איזה אלגוריתם חיפוש הוא, אחד הרצים בעולם ואחד המוכרים פחות?

TimSort!

אל תתביישו אם לא שמעתם עליו - אבל כדאי להכיר.

בתיאוריה, קיימת הוכחה מתמטית לפיה כל אלגוריתם מיון שאין לו ידע על התפלגות הקלט (למשל: רק מספרים בטווח מסוים) לא יוכל להיות יעיל יותר מ (Θ(n*lgn. 

לא קל להגיע לזמן ביצוע של (Θ(n*lgn - ובד"כ זה בא במחירים אחרים. למשל: זיכרון (כמו MergeSort).

TimSort מצליח "לנצח" את התאוריה במקרים מסוימים (Best Case), ובממוצע להציג שיפור לא רע, בזכות הנחה מעניינת אך בסיסית על הפלגות הנתונים: שהיא לא אקראית לחלוטין. ככל שהיא תהיה פחות אקראית - כך הביצועים שלו יהיו טובים יותר.

TimSort (שקרוי על שם מי שפיתח אותו, טים פיטר, ממפתחי פייטון - זה לא אלגוריתם שהגיע מהאקדמיה) בבסיסו מריץ MergeSort (אלגוריתם שלרוב מבצע טוב מהרגיל) בעוד הוא משתמש ב batches קטנים ב Insertion Sort (גרסה משופרת של ה BubbleSort) - היעיל במיוחד למיון קבוצות קטנות של נתונים.

בנתונים מהעולם האמיתי המידע לא מפוזר באופן אקראי לחלוטין. בעצם: קשה מאוד לייצר נתונים אקראיים לחלוטין. בנתונים ״רגילים״ של מערכים יש בו רצפים, גדולים או קטנים, של איברים ממוינים.

TimSort פועל בגדול באופן הבא:

1. סריקה של הנתונים ואיתור רצפים עולים ורצפים יורדים. אם הרצף יורד - הוא פשוט יהפוך אותו. 
1. הנתונים כבר ממוינים? סיימנו ב (O(n. לא נשמע חוכמה, אבל QuickSort ו MergeSort יבזבזו כאן (O(n*lgn, זה יכול להתתרגם לפי 10 או פי 100 - יותר זמן ריצה.
2. קבוצות של עד 64 איברים - ממיינים בעזרת Insertion Sort, היעיל לקבוצות קטנות של נתונים וגם נהנה מ Data Locality.
3. שימוש ב Merge Sort על מנת למיין את הקבוצות הממוינות - כאשר נשמר איזון בין הקבוצות בעקבות המיון המוקדם.

הנה סרטון המדגים את אופן הפעולה שלו. הנה הסבר מפורט יותר על אופן הפעולה.

שווה להכיר בקיומו: KD-Tree

KD-Tree הוא מבנה נתונים דיי שימושי (אני השתמשתי כמה פעמים) המאפשר לאנדקס נתונים בכמה מימדים.
בעיקרון הוא מקרה כללי של Binary Search Tree (הרץ על מימד אחד), אבל מאפשר לרוץ על כמה מימדים.
אם אנו רוצים לאנדקס 2 מימדים - אז כל שכבה זוגית תבצע חיתוך על ציר x וכל שכבה אי-זוגית על ציר y.
את אותו רעיון אפשר להרחיב ל 3, 4 מימדים ויותר.

במקרה הזה הצומת הראשי מפצל את המרחב על ציר x, ואז הקודוד מתחתיו את ציר y, וחוזר חלילה.

KD-Trees משמשים בבסיסי נתונים, ובכלל, לאינדוקס מרחבים geospatial ("גאוגרפיים"). עצי KD-Tree מסדר 2 מתארים מרחב גאוגרפי (x ו y), בעוד עד מדרגה 3 למשל, עשוי לתאר מרחב + זמן (למשל: היכן הייתה כל מונית בכל רגע נתון).

הרצון לאנדקס מרחב רב-מימדי עשוי להיות רלוונטי למקרים רבים. אינדקס של כמה עמודות בבסיס-הנתונים - מתנהג בצורה דומה. לאינדוקס כשזה יש גם שימושים מדעיים שונים (פיסיקה, ניתוח צבעים כאשר R, G, ו B הם שלושת המימדים, וכו׳).

מבנה נתונים מקביל ל KD-Tree הוא ה R-Tree. בניגוד ל KD-Tree שבו כל node חוצה מרחב, ב R-Tree כל node מתאם מרחב תחום (Rectangle, ומכאן השם) ומכאן למרחבים שלו יכולים להיות חפיפות.



שווה להכיר בקיומו: Skip List

רשימת דילוג (Skip List) היא וריאציה של LinkedList הדומה יותר לעץ מאוזן (כמו עץ אדום-שחור או AVL) - אך המימוש שלה פשוט יותר.

מימוש פשוט לא מעניין אותנו כשיש שיתוף קוד (אחד כותב - רבים משתמשים). כמן כן, למדנו כבר להיזהר ממבני-נתונים עוייני cache כמו רשימות משורשרות ועצים. אז מה הטעם בו?

הייחודיות של ה Skip List היא ביכולת שלו לשרת כמבנה נתונים מוצלח למדי לעבודה מקבילית - תחום שהולך והופך חשוב ושימושי עם ריבוי ה cores בתעשייה.

בבסיס, רשימת דילוג היא כמו רשימה משורשרת. התבוננו רק על הרמה הראשונה (L1) - זו ממש רשימה משורשרת.
מה הבעיה ברשימה משורשרת (מלבד עוינות ל caches)? - שמציאת איבר ברשימה אורכת (O(n וזה יכול להיות יותר מדי.

הפתרון הוא להוסיף רמות דלילות לרשימה - שיאפשרו התקדמות מהירה בעת "סריקת" הרשימה.

הנה תסריט "צמיחת הרמה השנייה": כאשר אנו מוסיפים nodes לרשימה, אנו מבצעים הגרלה של 1:2 כמו הטלת מטבע. אם יצא "עץ" (במקור: "heads") נוסיף node גם ברמה השניה. כך תיווצר לנו רמה שניה דלילה יותר.
באופן דומה אם יש לנו 3 רמות, node שנוסף והוגרל להיות חבר ברמה 2, יוגרל שוב ביחס 1:2 להיות חבר גם ברמה 3.

מספר הרמות ברשימת הדילוג, ייקבע ביחס למספר האיברים שבה. גם ההגרלה (״רמת הדלילות״) לא חייבת להיות 1:2. היא יכולה, למשל, להיות 1:4 - רשימה דלילה יותר.

כאשר אנו מחפשים איבר, למשל בתרשים למעלה את מספר 8, אנו מתחילים מהרמה הגבוהה ביותר, ומבצעים חיפוש דומה מאוד לעץ בינארי. אם ה node הבא גדול מהערך שאני מחפש - נרד רמה ונבקש שם את ה node הבא - עד שמצאנו אותו (או בדוגמה לעיל - 8 לא נמצא ברשימה ולכן לא נמצא).

אם ההסבר לא ברור דיו, אך אתם עדיין מתעניינים - חפשו באינטרנט. זה מבנה נתונים מוכר.


מקביליות

מכיוון שההחלטה כמה רמות להוסיף ל node חדש היא מבוססת על אקראיות (ולא תלויה בשאר המבנה של הרשימה) ל SkipList יש יתרון בהכנסה מקבילית של איברים, שבאמת יכולות להיות פעולה מקבילית ברמה גבוהה (כלומר: לאפשר הרבה מקביליות). במימוש בג'אווה (ConcurrentSkipListMap) משתמשים ב AtomicReference על מנת להגן על הקשר לשאר הרשימה - היכן שיכול להיות race condition. מעבר לכך אין צורך בשימוש ב synchronization או מנעולים (שמגבילים מאוד את כמות המקביליות).

חשוב לציין שהמבנה הזה אינו אידאלי לכל תסריט מקבילי. בג'אווה ה ConcurrentHashMap - מימוש HashTable עם מנעולים על טווחים על המערך שמאחורי-הקלעים, אולי לא יכול לעמוד באותה כמות מקבילית של הכנסות, אך שליפה של איבר היא פעולה מהירה בהרבה (O(k (מול (O(lgn ברשימת הדילוג).
אם למשל, המקביליות היא רק בקריאה - אזי HashMap רגיל יהיה היעיל ביותר.
בקיצור: מקביליות היא עניין מורכב, ולא נכסה אותו כאן...


הערת סיום: לזכותה של המחלקה למדעי המחשב באוניברסיטת בן-גוריון ארצה לציין שכן למדנו בקורס מבני-נתונים על KD-Trees ו SkipLists - וזה היה במקום. תודה רבה, לפרופ' קלרה קדם שלימדה אותנו (מפתיע, אבל אני עדיין זוכר את שמה אחרי הרבה שנים).

סיכום

זהו. על נושא של מבני-נתונים ניתן להוסיף ולהרחיב בלי סוף - אבל מעבר לנקודה מסוימת זה כבר לא תורם ממש (עבור השימושים הנפוצים). כשתתקלו בבעיה מיוחדת - בוודאי תמצאו לה, או תמציאו לה - מבנה נתונים עדיף.

מבני-נתונים הם לא רק תאוריה של סיבוכיות, אלא גם עניין של היגיון בריא והתאמה לצרכים הקצת-יותר ספציפיים שעומדים בפניכם. לא פחות, חשוב לקחת בחשבון את החומרה שמריצה את האלגוריתם ולחתור ל Data Locality. ככל שהשנים עוברות, Data Locality הולך ונהיה פקטור יותר ויותר משמעותי ביעילות של עבודה על קבוצות גדולות של נתונים.


שיהיה בהצלחה!

-----

[א] נכון, גם ג׳אווהסקריפט נפוצה מאוד - אבל קשה לי להתייחס לאלגוריתם המיון המובנה שבה ברצינות.

ראשית הוא ממיין ע״פ סדר לקסיקוגרפי, גם מערך של מספרים:

[7, 44, 3].sort() = [3, 44, 7]

עד ממש לאחרונה, מנוע V8 הסופר-פופולארי לא היה יציב. כלומר: הוא עשוי היה, באופן אקראי, להחליף בין ערכים שהם זהים. זה לא מפריע במספרים - אך עשוי להפריע באובייקטים מורכבים.

דוגמה אחרונה, וחמורה למדי, היא זו:

בעוד מומחים בתחום טוענים בתוקף שהביצה היא זו שקדמה לתרנגולת. למשל: ביצי דינוזאור.