Run DCE after a LoopFlatten test to reduce spurious output [nfc]
[llvm-project.git] / third-party / benchmark / docs / user_guide.md
blob34bea6904240aa07a37419671781fde50c2be118
1 # User Guide
3 ## Command Line
5 [Output Formats](#output-formats)
7 [Output Files](#output-files)
9 [Running Benchmarks](#running-benchmarks)
11 [Running a Subset of Benchmarks](#running-a-subset-of-benchmarks)
13 [Result Comparison](#result-comparison)
15 [Extra Context](#extra-context)
17 ## Library
19 [Runtime and Reporting Considerations](#runtime-and-reporting-considerations)
21 [Setup/Teardown](#setupteardown)
23 [Passing Arguments](#passing-arguments)
25 [Custom Benchmark Name](#custom-benchmark-name)
27 [Calculating Asymptotic Complexity](#asymptotic-complexity)
29 [Templated Benchmarks](#templated-benchmarks)
31 [Fixtures](#fixtures)
33 [Custom Counters](#custom-counters)
35 [Multithreaded Benchmarks](#multithreaded-benchmarks)
37 [CPU Timers](#cpu-timers)
39 [Manual Timing](#manual-timing)
41 [Setting the Time Unit](#setting-the-time-unit)
43 [Random Interleaving](random_interleaving.md)
45 [User-Requested Performance Counters](perf_counters.md)
47 [Preventing Optimization](#preventing-optimization)
49 [Reporting Statistics](#reporting-statistics)
51 [Custom Statistics](#custom-statistics)
53 [Using RegisterBenchmark](#using-register-benchmark)
55 [Exiting with an Error](#exiting-with-an-error)
57 [A Faster KeepRunning Loop](#a-faster-keep-running-loop)
59 [Disabling CPU Frequency Scaling](#disabling-cpu-frequency-scaling)
62 <a name="output-formats" />
64 ## Output Formats
66 The library supports multiple output formats. Use the
67 `--benchmark_format=<console|json|csv>` flag (or set the
68 `BENCHMARK_FORMAT=<console|json|csv>` environment variable) to set
69 the format type. `console` is the default format.
71 The Console format is intended to be a human readable format. By default
72 the format generates color output. Context is output on stderr and the
73 tabular data on stdout. Example tabular output looks like:
75 ```
76 Benchmark                               Time(ns)    CPU(ns) Iterations
77 ----------------------------------------------------------------------
78 BM_SetInsert/1024/1                        28928      29349      23853  133.097kB/s   33.2742k items/s
79 BM_SetInsert/1024/8                        32065      32913      21375  949.487kB/s   237.372k items/s
80 BM_SetInsert/1024/10                       33157      33648      21431  1.13369MB/s   290.225k items/s
81 ```
83 The JSON format outputs human readable json split into two top level attributes.
84 The `context` attribute contains information about the run in general, including
85 information about the CPU and the date.
86 The `benchmarks` attribute contains a list of every benchmark run. Example json
87 output looks like:
89 ```json
91   "context": {
92     "date": "2015/03/17-18:40:25",
93     "num_cpus": 40,
94     "mhz_per_cpu": 2801,
95     "cpu_scaling_enabled": false,
96     "build_type": "debug"
97   },
98   "benchmarks": [
99     {
100       "name": "BM_SetInsert/1024/1",
101       "iterations": 94877,
102       "real_time": 29275,
103       "cpu_time": 29836,
104       "bytes_per_second": 134066,
105       "items_per_second": 33516
106     },
107     {
108       "name": "BM_SetInsert/1024/8",
109       "iterations": 21609,
110       "real_time": 32317,
111       "cpu_time": 32429,
112       "bytes_per_second": 986770,
113       "items_per_second": 246693
114     },
115     {
116       "name": "BM_SetInsert/1024/10",
117       "iterations": 21393,
118       "real_time": 32724,
119       "cpu_time": 33355,
120       "bytes_per_second": 1199226,
121       "items_per_second": 299807
122     }
123   ]
127 The CSV format outputs comma-separated values. The `context` is output on stderr
128 and the CSV itself on stdout. Example CSV output looks like:
131 name,iterations,real_time,cpu_time,bytes_per_second,items_per_second,label
132 "BM_SetInsert/1024/1",65465,17890.7,8407.45,475768,118942,
133 "BM_SetInsert/1024/8",116606,18810.1,9766.64,3.27646e+06,819115,
134 "BM_SetInsert/1024/10",106365,17238.4,8421.53,4.74973e+06,1.18743e+06,
137 <a name="output-files" />
139 ## Output Files
141 Write benchmark results to a file with the `--benchmark_out=<filename>` option
142 (or set `BENCHMARK_OUT`). Specify the output format with
143 `--benchmark_out_format={json|console|csv}` (or set
144 `BENCHMARK_OUT_FORMAT={json|console|csv}`). Note that the 'csv' reporter is
145 deprecated and the saved `.csv` file
146 [is not parsable](https://github.com/google/benchmark/issues/794) by csv
147 parsers.
149 Specifying `--benchmark_out` does not suppress the console output.
151 <a name="running-benchmarks" />
153 ## Running Benchmarks
155 Benchmarks are executed by running the produced binaries. Benchmarks binaries,
156 by default, accept options that may be specified either through their command
157 line interface or by setting environment variables before execution. For every
158 `--option_flag=<value>` CLI switch, a corresponding environment variable
159 `OPTION_FLAG=<value>` exist and is used as default if set (CLI switches always
160  prevails). A complete list of CLI options is available running benchmarks
161  with the `--help` switch.
163 <a name="running-a-subset-of-benchmarks" />
165 ## Running a Subset of Benchmarks
167 The `--benchmark_filter=<regex>` option (or `BENCHMARK_FILTER=<regex>`
168 environment variable) can be used to only run the benchmarks that match
169 the specified `<regex>`. For example:
171 ```bash
172 $ ./run_benchmarks.x --benchmark_filter=BM_memcpy/32
173 Run on (1 X 2300 MHz CPU )
174 2016-06-25 19:34:24
175 Benchmark              Time           CPU Iterations
176 ----------------------------------------------------
177 BM_memcpy/32          11 ns         11 ns   79545455
178 BM_memcpy/32k       2181 ns       2185 ns     324074
179 BM_memcpy/32          12 ns         12 ns   54687500
180 BM_memcpy/32k       1834 ns       1837 ns     357143
183 <a name="result-comparison" />
185 ## Result comparison
187 It is possible to compare the benchmarking results.
188 See [Additional Tooling Documentation](tools.md)
190 <a name="extra-context" />
192 ## Extra Context
194 Sometimes it's useful to add extra context to the content printed before the
195 results. By default this section includes information about the CPU on which
196 the benchmarks are running. If you do want to add more context, you can use
197 the `benchmark_context` command line flag:
199 ```bash
200 $ ./run_benchmarks --benchmark_context=pwd=`pwd`
201 Run on (1 x 2300 MHz CPU)
202 pwd: /home/user/benchmark/
203 Benchmark              Time           CPU Iterations
204 ----------------------------------------------------
205 BM_memcpy/32          11 ns         11 ns   79545455
206 BM_memcpy/32k       2181 ns       2185 ns     324074
209 You can get the same effect with the API:
211 ```c++
212   benchmark::AddCustomContext("foo", "bar");
215 Note that attempts to add a second value with the same key will fail with an
216 error message.
218 <a name="runtime-and-reporting-considerations" />
220 ## Runtime and Reporting Considerations
222 When the benchmark binary is executed, each benchmark function is run serially.
223 The number of iterations to run is determined dynamically by running the
224 benchmark a few times and measuring the time taken and ensuring that the
225 ultimate result will be statistically stable. As such, faster benchmark
226 functions will be run for more iterations than slower benchmark functions, and
227 the number of iterations is thus reported.
229 In all cases, the number of iterations for which the benchmark is run is
230 governed by the amount of time the benchmark takes. Concretely, the number of
231 iterations is at least one, not more than 1e9, until CPU time is greater than
232 the minimum time, or the wallclock time is 5x minimum time. The minimum time is
233 set per benchmark by calling `MinTime` on the registered benchmark object.
235 Average timings are then reported over the iterations run. If multiple
236 repetitions are requested using the `--benchmark_repetitions` command-line
237 option, or at registration time, the benchmark function will be run several
238 times and statistical results across these repetitions will also be reported.
240 As well as the per-benchmark entries, a preamble in the report will include
241 information about the machine on which the benchmarks are run.
243 <a name="setup-teardown" />
245 ## Setup/Teardown
247 Global setup/teardown specific to each benchmark can be done by
248 passing a callback to Setup/Teardown:
250 The setup/teardown callbacks will be invoked once for each benchmark.
251 If the benchmark is multi-threaded (will run in k threads), they will be invoked exactly once before
252 each run with k threads.
253 If the benchmark uses different size groups of threads, the above will be true for each size group.
255 Eg.,
257 ```c++
258 static void DoSetup(const benchmark::State& state) {
261 static void DoTeardown(const benchmark::State& state) {
264 static void BM_func(benchmark::State& state) {...}
266 BENCHMARK(BM_func)->Arg(1)->Arg(3)->Threads(16)->Threads(32)->Setup(DoSetup)->Teardown(DoTeardown);
270 In this example, `DoSetup` and `DoTearDown` will be invoked 4 times each,
271 specifically, once for each of this family:
272  - BM_func_Arg_1_Threads_16, BM_func_Arg_1_Threads_32
273  - BM_func_Arg_3_Threads_16, BM_func_Arg_3_Threads_32
275 <a name="passing-arguments" />
277 ## Passing Arguments
279 Sometimes a family of benchmarks can be implemented with just one routine that
280 takes an extra argument to specify which one of the family of benchmarks to
281 run. For example, the following code defines a family of benchmarks for
282 measuring the speed of `memcpy()` calls of different lengths:
284 ```c++
285 static void BM_memcpy(benchmark::State& state) {
286   char* src = new char[state.range(0)];
287   char* dst = new char[state.range(0)];
288   memset(src, 'x', state.range(0));
289   for (auto _ : state)
290     memcpy(dst, src, state.range(0));
291   state.SetBytesProcessed(int64_t(state.iterations()) *
292                           int64_t(state.range(0)));
293   delete[] src;
294   delete[] dst;
296 BENCHMARK(BM_memcpy)->Arg(8)->Arg(64)->Arg(512)->Arg(1<<10)->Arg(8<<10);
299 The preceding code is quite repetitive, and can be replaced with the following
300 short-hand. The following invocation will pick a few appropriate arguments in
301 the specified range and will generate a benchmark for each such argument.
303 ```c++
304 BENCHMARK(BM_memcpy)->Range(8, 8<<10);
307 By default the arguments in the range are generated in multiples of eight and
308 the command above selects [ 8, 64, 512, 4k, 8k ]. In the following code the
309 range multiplier is changed to multiples of two.
311 ```c++
312 BENCHMARK(BM_memcpy)->RangeMultiplier(2)->Range(8, 8<<10);
315 Now arguments generated are [ 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024, 2k, 4k, 8k ].
317 The preceding code shows a method of defining a sparse range.  The following
318 example shows a method of defining a dense range. It is then used to benchmark
319 the performance of `std::vector` initialization for uniformly increasing sizes.
321 ```c++
322 static void BM_DenseRange(benchmark::State& state) {
323   for(auto _ : state) {
324     std::vector<int> v(state.range(0), state.range(0));
325     benchmark::DoNotOptimize(v.data());
326     benchmark::ClobberMemory();
327   }
329 BENCHMARK(BM_DenseRange)->DenseRange(0, 1024, 128);
332 Now arguments generated are [ 0, 128, 256, 384, 512, 640, 768, 896, 1024 ].
334 You might have a benchmark that depends on two or more inputs. For example, the
335 following code defines a family of benchmarks for measuring the speed of set
336 insertion.
338 ```c++
339 static void BM_SetInsert(benchmark::State& state) {
340   std::set<int> data;
341   for (auto _ : state) {
342     state.PauseTiming();
343     data = ConstructRandomSet(state.range(0));
344     state.ResumeTiming();
345     for (int j = 0; j < state.range(1); ++j)
346       data.insert(RandomNumber());
347   }
349 BENCHMARK(BM_SetInsert)
350     ->Args({1<<10, 128})
351     ->Args({2<<10, 128})
352     ->Args({4<<10, 128})
353     ->Args({8<<10, 128})
354     ->Args({1<<10, 512})
355     ->Args({2<<10, 512})
356     ->Args({4<<10, 512})
357     ->Args({8<<10, 512});
360 The preceding code is quite repetitive, and can be replaced with the following
361 short-hand. The following macro will pick a few appropriate arguments in the
362 product of the two specified ranges and will generate a benchmark for each such
363 pair.
365 {% raw %}
366 ```c++
367 BENCHMARK(BM_SetInsert)->Ranges({{1<<10, 8<<10}, {128, 512}});
369 {% endraw %}
371 Some benchmarks may require specific argument values that cannot be expressed
372 with `Ranges`. In this case, `ArgsProduct` offers the ability to generate a
373 benchmark input for each combination in the product of the supplied vectors.
375 {% raw %}
376 ```c++
377 BENCHMARK(BM_SetInsert)
378     ->ArgsProduct({{1<<10, 3<<10, 8<<10}, {20, 40, 60, 80}})
379 // would generate the same benchmark arguments as
380 BENCHMARK(BM_SetInsert)
381     ->Args({1<<10, 20})
382     ->Args({3<<10, 20})
383     ->Args({8<<10, 20})
384     ->Args({3<<10, 40})
385     ->Args({8<<10, 40})
386     ->Args({1<<10, 40})
387     ->Args({1<<10, 60})
388     ->Args({3<<10, 60})
389     ->Args({8<<10, 60})
390     ->Args({1<<10, 80})
391     ->Args({3<<10, 80})
392     ->Args({8<<10, 80});
394 {% endraw %}
396 For the most common scenarios, helper methods for creating a list of
397 integers for a given sparse or dense range are provided.
399 ```c++
400 BENCHMARK(BM_SetInsert)
401     ->ArgsProduct({
402       benchmark::CreateRange(8, 128, /*multi=*/2),
403       benchmark::CreateDenseRange(1, 4, /*step=*/1)
404     })
405 // would generate the same benchmark arguments as
406 BENCHMARK(BM_SetInsert)
407     ->ArgsProduct({
408       {8, 16, 32, 64, 128},
409       {1, 2, 3, 4}
410     });
413 For more complex patterns of inputs, passing a custom function to `Apply` allows
414 programmatic specification of an arbitrary set of arguments on which to run the
415 benchmark. The following example enumerates a dense range on one parameter,
416 and a sparse range on the second.
418 ```c++
419 static void CustomArguments(benchmark::internal::Benchmark* b) {
420   for (int i = 0; i <= 10; ++i)
421     for (int j = 32; j <= 1024*1024; j *= 8)
422       b->Args({i, j});
424 BENCHMARK(BM_SetInsert)->Apply(CustomArguments);
427 ### Passing Arbitrary Arguments to a Benchmark
429 In C++11 it is possible to define a benchmark that takes an arbitrary number
430 of extra arguments. The `BENCHMARK_CAPTURE(func, test_case_name, ...args)`
431 macro creates a benchmark that invokes `func`  with the `benchmark::State` as
432 the first argument followed by the specified `args...`.
433 The `test_case_name` is appended to the name of the benchmark and
434 should describe the values passed.
436 ```c++
437 template <class ...ExtraArgs>
438 void BM_takes_args(benchmark::State& state, ExtraArgs&&... extra_args) {
439   [...]
441 // Registers a benchmark named "BM_takes_args/int_string_test" that passes
442 // the specified values to `extra_args`.
443 BENCHMARK_CAPTURE(BM_takes_args, int_string_test, 42, std::string("abc"));
446 Note that elements of `...args` may refer to global variables. Users should
447 avoid modifying global state inside of a benchmark.
449 <a name="asymptotic-complexity" />
451 ## Calculating Asymptotic Complexity (Big O)
453 Asymptotic complexity might be calculated for a family of benchmarks. The
454 following code will calculate the coefficient for the high-order term in the
455 running time and the normalized root-mean square error of string comparison.
457 ```c++
458 static void BM_StringCompare(benchmark::State& state) {
459   std::string s1(state.range(0), '-');
460   std::string s2(state.range(0), '-');
461   for (auto _ : state) {
462     benchmark::DoNotOptimize(s1.compare(s2));
463   }
464   state.SetComplexityN(state.range(0));
466 BENCHMARK(BM_StringCompare)
467     ->RangeMultiplier(2)->Range(1<<10, 1<<18)->Complexity(benchmark::oN);
470 As shown in the following invocation, asymptotic complexity might also be
471 calculated automatically.
473 ```c++
474 BENCHMARK(BM_StringCompare)
475     ->RangeMultiplier(2)->Range(1<<10, 1<<18)->Complexity();
478 The following code will specify asymptotic complexity with a lambda function,
479 that might be used to customize high-order term calculation.
481 ```c++
482 BENCHMARK(BM_StringCompare)->RangeMultiplier(2)
483     ->Range(1<<10, 1<<18)->Complexity([](benchmark::IterationCount n)->double{return n; });
486 <a name="custom-benchmark-name" />
488 ## Custom Benchmark Name
490 You can change the benchmark's name as follows:
492 ```c++
493 BENCHMARK(BM_memcpy)->Name("memcpy")->RangeMultiplier(2)->Range(8, 8<<10);
496 The invocation will execute the benchmark as before using `BM_memcpy` but changes
497 the prefix in the report to `memcpy`.
499 <a name="templated-benchmarks" />
501 ## Templated Benchmarks
503 This example produces and consumes messages of size `sizeof(v)` `range_x`
504 times. It also outputs throughput in the absence of multiprogramming.
506 ```c++
507 template <class Q> void BM_Sequential(benchmark::State& state) {
508   Q q;
509   typename Q::value_type v;
510   for (auto _ : state) {
511     for (int i = state.range(0); i--; )
512       q.push(v);
513     for (int e = state.range(0); e--; )
514       q.Wait(&v);
515   }
516   // actually messages, not bytes:
517   state.SetBytesProcessed(
518       static_cast<int64_t>(state.iterations())*state.range(0));
520 // C++03
521 BENCHMARK_TEMPLATE(BM_Sequential, WaitQueue<int>)->Range(1<<0, 1<<10);
523 // C++11 or newer, you can use the BENCHMARK macro with template parameters:
524 BENCHMARK(BM_Sequential<WaitQueue<int>>)->Range(1<<0, 1<<10);
528 Three macros are provided for adding benchmark templates.
530 ```c++
531 #ifdef BENCHMARK_HAS_CXX11
532 #define BENCHMARK(func<...>) // Takes any number of parameters.
533 #else // C++ < C++11
534 #define BENCHMARK_TEMPLATE(func, arg1)
535 #endif
536 #define BENCHMARK_TEMPLATE1(func, arg1)
537 #define BENCHMARK_TEMPLATE2(func, arg1, arg2)
540 <a name="fixtures" />
542 ## Fixtures
544 Fixture tests are created by first defining a type that derives from
545 `::benchmark::Fixture` and then creating/registering the tests using the
546 following macros:
548 * `BENCHMARK_F(ClassName, Method)`
549 * `BENCHMARK_DEFINE_F(ClassName, Method)`
550 * `BENCHMARK_REGISTER_F(ClassName, Method)`
552 For Example:
554 ```c++
555 class MyFixture : public benchmark::Fixture {
556 public:
557   void SetUp(const ::benchmark::State& state) {
558   }
560   void TearDown(const ::benchmark::State& state) {
561   }
564 BENCHMARK_F(MyFixture, FooTest)(benchmark::State& st) {
565    for (auto _ : st) {
566      ...
567   }
570 BENCHMARK_DEFINE_F(MyFixture, BarTest)(benchmark::State& st) {
571    for (auto _ : st) {
572      ...
573   }
575 /* BarTest is NOT registered */
576 BENCHMARK_REGISTER_F(MyFixture, BarTest)->Threads(2);
577 /* BarTest is now registered */
580 ### Templated Fixtures
582 Also you can create templated fixture by using the following macros:
584 * `BENCHMARK_TEMPLATE_F(ClassName, Method, ...)`
585 * `BENCHMARK_TEMPLATE_DEFINE_F(ClassName, Method, ...)`
587 For example:
589 ```c++
590 template<typename T>
591 class MyFixture : public benchmark::Fixture {};
593 BENCHMARK_TEMPLATE_F(MyFixture, IntTest, int)(benchmark::State& st) {
594    for (auto _ : st) {
595      ...
596   }
599 BENCHMARK_TEMPLATE_DEFINE_F(MyFixture, DoubleTest, double)(benchmark::State& st) {
600    for (auto _ : st) {
601      ...
602   }
605 BENCHMARK_REGISTER_F(MyFixture, DoubleTest)->Threads(2);
608 <a name="custom-counters" />
610 ## Custom Counters
612 You can add your own counters with user-defined names. The example below
613 will add columns "Foo", "Bar" and "Baz" in its output:
615 ```c++
616 static void UserCountersExample1(benchmark::State& state) {
617   double numFoos = 0, numBars = 0, numBazs = 0;
618   for (auto _ : state) {
619     // ... count Foo,Bar,Baz events
620   }
621   state.counters["Foo"] = numFoos;
622   state.counters["Bar"] = numBars;
623   state.counters["Baz"] = numBazs;
627 The `state.counters` object is a `std::map` with `std::string` keys
628 and `Counter` values. The latter is a `double`-like class, via an implicit
629 conversion to `double&`. Thus you can use all of the standard arithmetic
630 assignment operators (`=,+=,-=,*=,/=`) to change the value of each counter.
632 In multithreaded benchmarks, each counter is set on the calling thread only.
633 When the benchmark finishes, the counters from each thread will be summed;
634 the resulting sum is the value which will be shown for the benchmark.
636 The `Counter` constructor accepts three parameters: the value as a `double`
637 ; a bit flag which allows you to show counters as rates, and/or as per-thread
638 iteration, and/or as per-thread averages, and/or iteration invariants,
639 and/or finally inverting the result; and a flag specifying the 'unit' - i.e.
640 is 1k a 1000 (default, `benchmark::Counter::OneK::kIs1000`), or 1024
641 (`benchmark::Counter::OneK::kIs1024`)?
643 ```c++
644   // sets a simple counter
645   state.counters["Foo"] = numFoos;
647   // Set the counter as a rate. It will be presented divided
648   // by the duration of the benchmark.
649   // Meaning: per one second, how many 'foo's are processed?
650   state.counters["FooRate"] = Counter(numFoos, benchmark::Counter::kIsRate);
652   // Set the counter as a rate. It will be presented divided
653   // by the duration of the benchmark, and the result inverted.
654   // Meaning: how many seconds it takes to process one 'foo'?
655   state.counters["FooInvRate"] = Counter(numFoos, benchmark::Counter::kIsRate | benchmark::Counter::kInvert);
657   // Set the counter as a thread-average quantity. It will
658   // be presented divided by the number of threads.
659   state.counters["FooAvg"] = Counter(numFoos, benchmark::Counter::kAvgThreads);
661   // There's also a combined flag:
662   state.counters["FooAvgRate"] = Counter(numFoos,benchmark::Counter::kAvgThreadsRate);
664   // This says that we process with the rate of state.range(0) bytes every iteration:
665   state.counters["BytesProcessed"] = Counter(state.range(0), benchmark::Counter::kIsIterationInvariantRate, benchmark::Counter::OneK::kIs1024);
668 When you're compiling in C++11 mode or later you can use `insert()` with
669 `std::initializer_list`:
671 {% raw %}
672 ```c++
673   // With C++11, this can be done:
674   state.counters.insert({{"Foo", numFoos}, {"Bar", numBars}, {"Baz", numBazs}});
675   // ... instead of:
676   state.counters["Foo"] = numFoos;
677   state.counters["Bar"] = numBars;
678   state.counters["Baz"] = numBazs;
680 {% endraw %}
682 ### Counter Reporting
684 When using the console reporter, by default, user counters are printed at
685 the end after the table, the same way as ``bytes_processed`` and
686 ``items_processed``. This is best for cases in which there are few counters,
687 or where there are only a couple of lines per benchmark. Here's an example of
688 the default output:
691 ------------------------------------------------------------------------------
692 Benchmark                        Time           CPU Iterations UserCounters...
693 ------------------------------------------------------------------------------
694 BM_UserCounter/threads:8      2248 ns      10277 ns      68808 Bar=16 Bat=40 Baz=24 Foo=8
695 BM_UserCounter/threads:1      9797 ns       9788 ns      71523 Bar=2 Bat=5 Baz=3 Foo=1024m
696 BM_UserCounter/threads:2      4924 ns       9842 ns      71036 Bar=4 Bat=10 Baz=6 Foo=2
697 BM_UserCounter/threads:4      2589 ns      10284 ns      68012 Bar=8 Bat=20 Baz=12 Foo=4
698 BM_UserCounter/threads:8      2212 ns      10287 ns      68040 Bar=16 Bat=40 Baz=24 Foo=8
699 BM_UserCounter/threads:16     1782 ns      10278 ns      68144 Bar=32 Bat=80 Baz=48 Foo=16
700 BM_UserCounter/threads:32     1291 ns      10296 ns      68256 Bar=64 Bat=160 Baz=96 Foo=32
701 BM_UserCounter/threads:4      2615 ns      10307 ns      68040 Bar=8 Bat=20 Baz=12 Foo=4
702 BM_Factorial                    26 ns         26 ns   26608979 40320
703 BM_Factorial/real_time          26 ns         26 ns   26587936 40320
704 BM_CalculatePiRange/1           16 ns         16 ns   45704255 0
705 BM_CalculatePiRange/8           73 ns         73 ns    9520927 3.28374
706 BM_CalculatePiRange/64         609 ns        609 ns    1140647 3.15746
707 BM_CalculatePiRange/512       4900 ns       4901 ns     142696 3.14355
710 If this doesn't suit you, you can print each counter as a table column by
711 passing the flag `--benchmark_counters_tabular=true` to the benchmark
712 application. This is best for cases in which there are a lot of counters, or
713 a lot of lines per individual benchmark. Note that this will trigger a
714 reprinting of the table header any time the counter set changes between
715 individual benchmarks. Here's an example of corresponding output when
716 `--benchmark_counters_tabular=true` is passed:
719 ---------------------------------------------------------------------------------------
720 Benchmark                        Time           CPU Iterations    Bar   Bat   Baz   Foo
721 ---------------------------------------------------------------------------------------
722 BM_UserCounter/threads:8      2198 ns       9953 ns      70688     16    40    24     8
723 BM_UserCounter/threads:1      9504 ns       9504 ns      73787      2     5     3     1
724 BM_UserCounter/threads:2      4775 ns       9550 ns      72606      4    10     6     2
725 BM_UserCounter/threads:4      2508 ns       9951 ns      70332      8    20    12     4
726 BM_UserCounter/threads:8      2055 ns       9933 ns      70344     16    40    24     8
727 BM_UserCounter/threads:16     1610 ns       9946 ns      70720     32    80    48    16
728 BM_UserCounter/threads:32     1192 ns       9948 ns      70496     64   160    96    32
729 BM_UserCounter/threads:4      2506 ns       9949 ns      70332      8    20    12     4
730 --------------------------------------------------------------
731 Benchmark                        Time           CPU Iterations
732 --------------------------------------------------------------
733 BM_Factorial                    26 ns         26 ns   26392245 40320
734 BM_Factorial/real_time          26 ns         26 ns   26494107 40320
735 BM_CalculatePiRange/1           15 ns         15 ns   45571597 0
736 BM_CalculatePiRange/8           74 ns         74 ns    9450212 3.28374
737 BM_CalculatePiRange/64         595 ns        595 ns    1173901 3.15746
738 BM_CalculatePiRange/512       4752 ns       4752 ns     147380 3.14355
739 BM_CalculatePiRange/4k       37970 ns      37972 ns      18453 3.14184
740 BM_CalculatePiRange/32k     303733 ns     303744 ns       2305 3.14162
741 BM_CalculatePiRange/256k   2434095 ns    2434186 ns        288 3.1416
742 BM_CalculatePiRange/1024k  9721140 ns    9721413 ns         71 3.14159
743 BM_CalculatePi/threads:8      2255 ns       9943 ns      70936
746 Note above the additional header printed when the benchmark changes from
747 ``BM_UserCounter`` to ``BM_Factorial``. This is because ``BM_Factorial`` does
748 not have the same counter set as ``BM_UserCounter``.
750 <a name="multithreaded-benchmarks"/>
752 ## Multithreaded Benchmarks
754 In a multithreaded test (benchmark invoked by multiple threads simultaneously),
755 it is guaranteed that none of the threads will start until all have reached
756 the start of the benchmark loop, and all will have finished before any thread
757 exits the benchmark loop. (This behavior is also provided by the `KeepRunning()`
758 API) As such, any global setup or teardown can be wrapped in a check against the thread
759 index:
761 ```c++
762 static void BM_MultiThreaded(benchmark::State& state) {
763   if (state.thread_index() == 0) {
764     // Setup code here.
765   }
766   for (auto _ : state) {
767     // Run the test as normal.
768   }
769   if (state.thread_index() == 0) {
770     // Teardown code here.
771   }
773 BENCHMARK(BM_MultiThreaded)->Threads(2);
776 If the benchmarked code itself uses threads and you want to compare it to
777 single-threaded code, you may want to use real-time ("wallclock") measurements
778 for latency comparisons:
780 ```c++
781 BENCHMARK(BM_test)->Range(8, 8<<10)->UseRealTime();
784 Without `UseRealTime`, CPU time is used by default.
786 <a name="cpu-timers" />
788 ## CPU Timers
790 By default, the CPU timer only measures the time spent by the main thread.
791 If the benchmark itself uses threads internally, this measurement may not
792 be what you are looking for. Instead, there is a way to measure the total
793 CPU usage of the process, by all the threads.
795 ```c++
796 void callee(int i);
798 static void MyMain(int size) {
799 #pragma omp parallel for
800   for(int i = 0; i < size; i++)
801     callee(i);
804 static void BM_OpenMP(benchmark::State& state) {
805   for (auto _ : state)
806     MyMain(state.range(0));
809 // Measure the time spent by the main thread, use it to decide for how long to
810 // run the benchmark loop. Depending on the internal implementation detail may
811 // measure to anywhere from near-zero (the overhead spent before/after work
812 // handoff to worker thread[s]) to the whole single-thread time.
813 BENCHMARK(BM_OpenMP)->Range(8, 8<<10);
815 // Measure the user-visible time, the wall clock (literally, the time that
816 // has passed on the clock on the wall), use it to decide for how long to
817 // run the benchmark loop. This will always be meaningful, an will match the
818 // time spent by the main thread in single-threaded case, in general decreasing
819 // with the number of internal threads doing the work.
820 BENCHMARK(BM_OpenMP)->Range(8, 8<<10)->UseRealTime();
822 // Measure the total CPU consumption, use it to decide for how long to
823 // run the benchmark loop. This will always measure to no less than the
824 // time spent by the main thread in single-threaded case.
825 BENCHMARK(BM_OpenMP)->Range(8, 8<<10)->MeasureProcessCPUTime();
827 // A mixture of the last two. Measure the total CPU consumption, but use the
828 // wall clock to decide for how long to run the benchmark loop.
829 BENCHMARK(BM_OpenMP)->Range(8, 8<<10)->MeasureProcessCPUTime()->UseRealTime();
832 ### Controlling Timers
834 Normally, the entire duration of the work loop (`for (auto _ : state) {}`)
835 is measured. But sometimes, it is necessary to do some work inside of
836 that loop, every iteration, but without counting that time to the benchmark time.
837 That is possible, although it is not recommended, since it has high overhead.
839 {% raw %}
840 ```c++
841 static void BM_SetInsert_With_Timer_Control(benchmark::State& state) {
842   std::set<int> data;
843   for (auto _ : state) {
844     state.PauseTiming(); // Stop timers. They will not count until they are resumed.
845     data = ConstructRandomSet(state.range(0)); // Do something that should not be measured
846     state.ResumeTiming(); // And resume timers. They are now counting again.
847     // The rest will be measured.
848     for (int j = 0; j < state.range(1); ++j)
849       data.insert(RandomNumber());
850   }
852 BENCHMARK(BM_SetInsert_With_Timer_Control)->Ranges({{1<<10, 8<<10}, {128, 512}});
854 {% endraw %}
856 <a name="manual-timing" />
858 ## Manual Timing
860 For benchmarking something for which neither CPU time nor real-time are
861 correct or accurate enough, completely manual timing is supported using
862 the `UseManualTime` function.
864 When `UseManualTime` is used, the benchmarked code must call
865 `SetIterationTime` once per iteration of the benchmark loop to
866 report the manually measured time.
868 An example use case for this is benchmarking GPU execution (e.g. OpenCL
869 or CUDA kernels, OpenGL or Vulkan or Direct3D draw calls), which cannot
870 be accurately measured using CPU time or real-time. Instead, they can be
871 measured accurately using a dedicated API, and these measurement results
872 can be reported back with `SetIterationTime`.
874 ```c++
875 static void BM_ManualTiming(benchmark::State& state) {
876   int microseconds = state.range(0);
877   std::chrono::duration<double, std::micro> sleep_duration {
878     static_cast<double>(microseconds)
879   };
881   for (auto _ : state) {
882     auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
883     // Simulate some useful workload with a sleep
884     std::this_thread::sleep_for(sleep_duration);
885     auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
887     auto elapsed_seconds =
888       std::chrono::duration_cast<std::chrono::duration<double>>(
889         end - start);
891     state.SetIterationTime(elapsed_seconds.count());
892   }
894 BENCHMARK(BM_ManualTiming)->Range(1, 1<<17)->UseManualTime();
897 <a name="setting-the-time-unit" />
899 ## Setting the Time Unit
901 If a benchmark runs a few milliseconds it may be hard to visually compare the
902 measured times, since the output data is given in nanoseconds per default. In
903 order to manually set the time unit, you can specify it manually:
905 ```c++
906 BENCHMARK(BM_test)->Unit(benchmark::kMillisecond);
909 <a name="preventing-optimization" />
911 ## Preventing Optimization
913 To prevent a value or expression from being optimized away by the compiler
914 the `benchmark::DoNotOptimize(...)` and `benchmark::ClobberMemory()`
915 functions can be used.
917 ```c++
918 static void BM_test(benchmark::State& state) {
919   for (auto _ : state) {
920       int x = 0;
921       for (int i=0; i < 64; ++i) {
922         benchmark::DoNotOptimize(x += i);
923       }
924   }
928 `DoNotOptimize(<expr>)` forces the  *result* of `<expr>` to be stored in either
929 memory or a register. For GNU based compilers it acts as read/write barrier
930 for global memory. More specifically it forces the compiler to flush pending
931 writes to memory and reload any other values as necessary.
933 Note that `DoNotOptimize(<expr>)` does not prevent optimizations on `<expr>`
934 in any way. `<expr>` may even be removed entirely when the result is already
935 known. For example:
937 ```c++
938   /* Example 1: `<expr>` is removed entirely. */
939   int foo(int x) { return x + 42; }
940   while (...) DoNotOptimize(foo(0)); // Optimized to DoNotOptimize(42);
942   /*  Example 2: Result of '<expr>' is only reused */
943   int bar(int) __attribute__((const));
944   while (...) DoNotOptimize(bar(0)); // Optimized to:
945   // int __result__ = bar(0);
946   // while (...) DoNotOptimize(__result__);
949 The second tool for preventing optimizations is `ClobberMemory()`. In essence
950 `ClobberMemory()` forces the compiler to perform all pending writes to global
951 memory. Memory managed by block scope objects must be "escaped" using
952 `DoNotOptimize(...)` before it can be clobbered. In the below example
953 `ClobberMemory()` prevents the call to `v.push_back(42)` from being optimized
954 away.
956 ```c++
957 static void BM_vector_push_back(benchmark::State& state) {
958   for (auto _ : state) {
959     std::vector<int> v;
960     v.reserve(1);
961     benchmark::DoNotOptimize(v.data()); // Allow v.data() to be clobbered.
962     v.push_back(42);
963     benchmark::ClobberMemory(); // Force 42 to be written to memory.
964   }
968 Note that `ClobberMemory()` is only available for GNU or MSVC based compilers.
970 <a name="reporting-statistics" />
972 ## Statistics: Reporting the Mean, Median and Standard Deviation / Coefficient of variation of Repeated Benchmarks
974 By default each benchmark is run once and that single result is reported.
975 However benchmarks are often noisy and a single result may not be representative
976 of the overall behavior. For this reason it's possible to repeatedly rerun the
977 benchmark.
979 The number of runs of each benchmark is specified globally by the
980 `--benchmark_repetitions` flag or on a per benchmark basis by calling
981 `Repetitions` on the registered benchmark object. When a benchmark is run more
982 than once the mean, median, standard deviation and coefficient of variation
983 of the runs will be reported.
985 Additionally the `--benchmark_report_aggregates_only={true|false}`,
986 `--benchmark_display_aggregates_only={true|false}` flags or
987 `ReportAggregatesOnly(bool)`, `DisplayAggregatesOnly(bool)` functions can be
988 used to change how repeated tests are reported. By default the result of each
989 repeated run is reported. When `report aggregates only` option is `true`,
990 only the aggregates (i.e. mean, median, standard deviation and coefficient
991 of variation, maybe complexity measurements if they were requested) of the runs
992 is reported, to both the reporters - standard output (console), and the file.
993 However when only the `display aggregates only` option is `true`,
994 only the aggregates are displayed in the standard output, while the file
995 output still contains everything.
996 Calling `ReportAggregatesOnly(bool)` / `DisplayAggregatesOnly(bool)` on a
997 registered benchmark object overrides the value of the appropriate flag for that
998 benchmark.
1000 <a name="custom-statistics" />
1002 ## Custom Statistics
1004 While having these aggregates is nice, this may not be enough for everyone.
1005 For example you may want to know what the largest observation is, e.g. because
1006 you have some real-time constraints. This is easy. The following code will
1007 specify a custom statistic to be calculated, defined by a lambda function.
1009 ```c++
1010 void BM_spin_empty(benchmark::State& state) {
1011   for (auto _ : state) {
1012     for (int x = 0; x < state.range(0); ++x) {
1013       benchmark::DoNotOptimize(x);
1014     }
1015   }
1018 BENCHMARK(BM_spin_empty)
1019   ->ComputeStatistics("max", [](const std::vector<double>& v) -> double {
1020     return *(std::max_element(std::begin(v), std::end(v)));
1021   })
1022   ->Arg(512);
1025 While usually the statistics produce values in time units,
1026 you can also produce percentages:
1028 ```c++
1029 void BM_spin_empty(benchmark::State& state) {
1030   for (auto _ : state) {
1031     for (int x = 0; x < state.range(0); ++x) {
1032       benchmark::DoNotOptimize(x);
1033     }
1034   }
1037 BENCHMARK(BM_spin_empty)
1038   ->ComputeStatistics("ratio", [](const std::vector<double>& v) -> double {
1039     return std::begin(v) / std::end(v);
1040   }, benchmark::StatisticUnit::Percentage)
1041   ->Arg(512);
1044 <a name="using-register-benchmark" />
1046 ## Using RegisterBenchmark(name, fn, args...)
1048 The `RegisterBenchmark(name, func, args...)` function provides an alternative
1049 way to create and register benchmarks.
1050 `RegisterBenchmark(name, func, args...)` creates, registers, and returns a
1051 pointer to a new benchmark with the specified `name` that invokes
1052 `func(st, args...)` where `st` is a `benchmark::State` object.
1054 Unlike the `BENCHMARK` registration macros, which can only be used at the global
1055 scope, the `RegisterBenchmark` can be called anywhere. This allows for
1056 benchmark tests to be registered programmatically.
1058 Additionally `RegisterBenchmark` allows any callable object to be registered
1059 as a benchmark. Including capturing lambdas and function objects.
1061 For Example:
1062 ```c++
1063 auto BM_test = [](benchmark::State& st, auto Inputs) { /* ... */ };
1065 int main(int argc, char** argv) {
1066   for (auto& test_input : { /* ... */ })
1067       benchmark::RegisterBenchmark(test_input.name(), BM_test, test_input);
1068   benchmark::Initialize(&argc, argv);
1069   benchmark::RunSpecifiedBenchmarks();
1070   benchmark::Shutdown();
1074 <a name="exiting-with-an-error" />
1076 ## Exiting with an Error
1078 When errors caused by external influences, such as file I/O and network
1079 communication, occur within a benchmark the
1080 `State::SkipWithError(const char* msg)` function can be used to skip that run
1081 of benchmark and report the error. Note that only future iterations of the
1082 `KeepRunning()` are skipped. For the ranged-for version of the benchmark loop
1083 Users must explicitly exit the loop, otherwise all iterations will be performed.
1084 Users may explicitly return to exit the benchmark immediately.
1086 The `SkipWithError(...)` function may be used at any point within the benchmark,
1087 including before and after the benchmark loop. Moreover, if `SkipWithError(...)`
1088 has been used, it is not required to reach the benchmark loop and one may return
1089 from the benchmark function early.
1091 For example:
1093 ```c++
1094 static void BM_test(benchmark::State& state) {
1095   auto resource = GetResource();
1096   if (!resource.good()) {
1097     state.SkipWithError("Resource is not good!");
1098     // KeepRunning() loop will not be entered.
1099   }
1100   while (state.KeepRunning()) {
1101     auto data = resource.read_data();
1102     if (!resource.good()) {
1103       state.SkipWithError("Failed to read data!");
1104       break; // Needed to skip the rest of the iteration.
1105     }
1106     do_stuff(data);
1107   }
1110 static void BM_test_ranged_fo(benchmark::State & state) {
1111   auto resource = GetResource();
1112   if (!resource.good()) {
1113     state.SkipWithError("Resource is not good!");
1114     return; // Early return is allowed when SkipWithError() has been used.
1115   }
1116   for (auto _ : state) {
1117     auto data = resource.read_data();
1118     if (!resource.good()) {
1119       state.SkipWithError("Failed to read data!");
1120       break; // REQUIRED to prevent all further iterations.
1121     }
1122     do_stuff(data);
1123   }
1126 <a name="a-faster-keep-running-loop" />
1128 ## A Faster KeepRunning Loop
1130 In C++11 mode, a ranged-based for loop should be used in preference to
1131 the `KeepRunning` loop for running the benchmarks. For example:
1133 ```c++
1134 static void BM_Fast(benchmark::State &state) {
1135   for (auto _ : state) {
1136     FastOperation();
1137   }
1139 BENCHMARK(BM_Fast);
1142 The reason the ranged-for loop is faster than using `KeepRunning`, is
1143 because `KeepRunning` requires a memory load and store of the iteration count
1144 ever iteration, whereas the ranged-for variant is able to keep the iteration count
1145 in a register.
1147 For example, an empty inner loop of using the ranged-based for method looks like:
1149 ```asm
1150 # Loop Init
1151   mov rbx, qword ptr [r14 + 104]
1152   call benchmark::State::StartKeepRunning()
1153   test rbx, rbx
1154   je .LoopEnd
1155 .LoopHeader: # =>This Inner Loop Header: Depth=1
1156   add rbx, -1
1157   jne .LoopHeader
1158 .LoopEnd:
1161 Compared to an empty `KeepRunning` loop, which looks like:
1163 ```asm
1164 .LoopHeader: # in Loop: Header=BB0_3 Depth=1
1165   cmp byte ptr [rbx], 1
1166   jne .LoopInit
1167 .LoopBody: # =>This Inner Loop Header: Depth=1
1168   mov rax, qword ptr [rbx + 8]
1169   lea rcx, [rax + 1]
1170   mov qword ptr [rbx + 8], rcx
1171   cmp rax, qword ptr [rbx + 104]
1172   jb .LoopHeader
1173   jmp .LoopEnd
1174 .LoopInit:
1175   mov rdi, rbx
1176   call benchmark::State::StartKeepRunning()
1177   jmp .LoopBody
1178 .LoopEnd:
1181 Unless C++03 compatibility is required, the ranged-for variant of writing
1182 the benchmark loop should be preferred.
1184 <a name="disabling-cpu-frequency-scaling" />
1186 ## Disabling CPU Frequency Scaling
1188 If you see this error:
1191 ***WARNING*** CPU scaling is enabled, the benchmark real time measurements may be noisy and will incur extra overhead.
1194 you might want to disable the CPU frequency scaling while running the benchmark:
1196 ```bash
1197 sudo cpupower frequency-set --governor performance
1198 ./mybench
1199 sudo cpupower frequency-set --governor powersave