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Microbenchmark と Hilt

多くのアプリは、Hilt を使用して、さまざまなビルドバリアントに異なる動作を注入します。これは、結果を歪める可能性のあるコンポーネントを切り替えることができるため、アプリのマイクロベンチマークに特に役立ちます。たとえば、次のコードスニペットは、名前のリストを取得して並べ替えるリポジトリを示しています。

Kotlin

class PeopleRepository @Inject constructor(
    @Kotlin private val dataSource: NetworkDataSource,
    @Dispatcher(DispatcherEnum.IO) private val dispatcher: CoroutineDispatcher
) {
    private val _peopleLiveData = MutableLiveData<List<Person>>()

    val peopleLiveData: LiveData<List<Person>>
        get() = _peopleLiveData

    suspend fun update() {
        withContext(dispatcher) {
            _peopleLiveData.postValue(
                dataSource.getPeople()
                    .sortedWith(compareBy({ it.lastName }, { it.firstName }))
            )
        }
    }
}}

Java

public class PeopleRepository {

    private final MutableLiveData<List<Person>> peopleLiveData = new MutableLiveData<>();

    private final NetworkDataSource dataSource;

    public LiveData<List<Person>> getPeopleLiveData() {
        return peopleLiveData;
    }

    @Inject
    public PeopleRepository(NetworkDataSource dataSource) {
        this.dataSource = dataSource;
    }

    private final Comparator<Person> comparator = Comparator.comparing(Person::getLastName)
            .thenComparing(Person::getFirstName);

    public void update() {
        Runnable task = new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                peopleLiveData.postValue(
                        dataSource.getPeople()
                                .stream()
                                .sorted(comparator)
                                .collect(Collectors.toList())
                );
            }
        };
        new Thread(task).start();
    }
}

ベンチマークの際にネットワーク呼び出しを含める場合は、より正確な結果を得るために疑似ネットワーク呼び出しを実装します。

ベンチマークに実際のネットワーク呼び出しを含めると、ベンチマーク結果の解釈が困難になります。ネットワーク呼び出しは多くの外部要因の影響を受けるため、その期間はベンチマークの実行の反復処理によって異なる場合があります。ネットワーク呼び出しの所要時間は、並べ替えよりも長くなることがあります。

Hilt を使用して偽のネットワーク呼び出しを実装する

上記の例に示すように、dataSource.getPeople() の呼び出しにはネットワーク呼び出しが含まれています。ただし、NetworkDataSource インスタンスは Hilt によって注入されるため、ベンチマークのために次の疑似実装に置き換えることができます。

Kotlin

class FakeNetworkDataSource @Inject constructor(
    private val people: List<Person>
) : NetworkDataSource {
    override fun getPeople(): List<Person> = people
}

Java

public class FakeNetworkDataSource implements NetworkDataSource{

    private List<Person> people;

    @Inject
    public FakeNetworkDataSource(List<Person> people) {
        this.people = people;
    }

    @Override
    public List<Person> getPeople() {
        return people;
    }
}

この偽のネットワーク呼び出しは、getPeople() メソッドを呼び出すときにできるだけ速く実行されるように設計されています。Hilt がこれを挿入できるように、次のプロバイダが使用されます。

Kotlin

@Module
@InstallIn(SingletonComponent::class)
object FakekNetworkModule {

    @Provides
    @Kotlin
    fun provideNetworkDataSource(@ApplicationContext context: Context): NetworkDataSource {
        val data = context.assets.open("fakedata.json").use { inputStream ->
            val bytes = ByteArray(inputStream.available())
            inputStream.read(bytes)

            val gson = Gson()
            val type: Type = object : TypeToken<List<Person>>() {}.type
            gson.fromJson<List<Person>>(String(bytes), type)
        }
        return FakeNetworkDataSource(data)
    }
}

Java

@Module
@InstallIn(SingletonComponent.class)
public class FakeNetworkModule {

    @Provides
    @Java
    NetworkDataSource provideNetworkDataSource(
            @ApplicationContext Context context
    ) {
        List<Person> data = new ArrayList<>();
        try (InputStream inputStream = context.getAssets().open("fakedata.json")) {
            int size = inputStream.available();
            byte[] bytes = new byte[size];
            if (inputStream.read(bytes) == size) {
                Gson gson = new Gson();
                Type type = new TypeToken<ArrayList<Person>>() {
                }.getType();
                data = gson.fromJson(new String(bytes), type);

            }
        } catch (IOException e) {
            // Do something
        }
        return new FakeNetworkDataSource(data);
    }
}

データは、可変長の I/O 呼び出しを使用してアセットから読み込まれます。ただし、これは初期化中に行われるため、ベンチマーク中に getPeople() が呼び出されて不規則性が生じることはありません。

一部のアプリでは、バックエンド依存関係を削除するために、デバッグビルドでフェイクを使用しています。ただし、できるだけリリースビルドに近いビルドでベンチマークする必要があります。このドキュメントの残りの部分では、完全なプロジェクト設定で説明されているように、マルチモジュール、マルチバリアントの構造を使用します。

モジュールは次の 3 つです。

benchmarkable: ベンチマークを行うコードが含まれます。
benchmark: ベンチマークコードが含まれます。
app: 残りのアプリコードが含まれます。

上記の各モジュールには、通常の debug バリアントと release バリアントのほかに、benchmark という名前のビルドバリアントがあります。

ベンチマークモジュールを構成する

偽のネットワーク呼び出しのコードは benchmarkable モジュールの debug ソースセットにあり、完全なネットワーク実装は同じモジュールの release ソースセットにあります。release ビルドで APK の肥大化を回避するため、偽の実装によって返されたデータを含むアセットファイルは debug ソースセットにあります。benchmark バリアントは release に基づいており、debug ソースセットを使用する必要があります。偽の実装を含む benchmarkable モジュールの benchmark バリアントのビルド構成は次のとおりです。

Kotlin

android {
    ...
    buildTypes {
        release {
            isMinifyEnabled = false
            proguardFiles(
                getDefaultProguardFile("proguard-android-optimize.txt"),
                "proguard-rules.pro"
            )
        }
        create("benchmark") {
            initWith(getByName("release"))
        }
    }
    ...
    sourceSets {
        getByName("benchmark") {
            java.setSrcDirs(listOf("src/debug/java"))
            assets.setSrcDirs(listOf("src/debug/assets"))
        }
    }
}

Groovy

android {
    ...
    buildTypes {
        release {
            minifyEnabled false
            proguardFiles getDefaultProguardFile('proguard-android-optimize.txt'),
                'proguard-rules.pro'
            )
        }
        benchmark {
            initWith release
        }
    }
    ...
    sourceSets {
        benchmark {
            java.setSrcDirs ['src/debug/java']
            assets.setSrcDirs(listOf ['src/debug/assets']
        }
    }
}

benchmark モジュールに、次のように Hilt をサポートするテストを実行する Application を作成するカスタムテストランナーを追加します。

Kotlin

class HiltBenchmarkRunner : AndroidBenchmarkRunner() {

    override fun newApplication(
        cl: ClassLoader?,
        className: String?,
        context: Context?
    ): Application {
        return super.newApplication(cl, HiltTestApplication::class.java.name, context)
    }
}

Java

public class JavaHiltBenchmarkRunner extends AndroidBenchmarkRunner {

    @Override
    public Application newApplication(
            ClassLoader cl,
            String className,
            Context context
    ) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
        return super.newApplication(cl, HiltTestApplication.class.getName(), context);
    }
}

これにより、テストが実行される Application オブジェクトが HiltTestApplication クラスを拡張します。ビルド構成に次の変更を加えます。

Kotlin

plugins {
    alias(libs.plugins.android.library)
    alias(libs.plugins.benchmark)
    alias(libs.plugins.jetbrains.kotlin.android)
    alias(libs.plugins.kapt)
    alias(libs.plugins.hilt)
}

android {
    namespace = "com.example.hiltmicrobenchmark.benchmark"
    compileSdk = 34

    defaultConfig {
        minSdk = 24

        testInstrumentationRunner = "com.example.hiltbenchmark.HiltBenchmarkRunner"
    }

    testBuildType = "benchmark"
    buildTypes {
        debug {
            // Since isDebuggable can't be modified by Gradle for library modules,
            // it must be done in a manifest. See src/androidTest/AndroidManifest.xml.
            isMinifyEnabled = true
            proguardFiles(
                getDefaultProguardFile("proguard-android-optimize.txt"),
                "benchmark-proguard-rules.pro"
            )
        }
        create("benchmark") {
            initWith(getByName("debug"))
        }
    }
}

dependencies {
    androidTestImplementation(libs.bundles.hilt)
    androidTestImplementation(project(":benchmarkable"))
    implementation(libs.androidx.runner)
    androidTestImplementation(libs.androidx.junit)
    androidTestImplementation(libs.junit)
    implementation(libs.androidx.benchmark)
    implementation(libs.google.dagger.hiltTesting)
    kaptAndroidTest(libs.google.dagger.hiltCompiler)
    androidTestAnnotationProcessor(libs.google.dagger.hiltCompiler)
}

Groovy

plugins {
    alias libs.plugins.android.library
    alias libs.plugins.benchmark
    alias libs.plugins.jetbrains.kotlin.android
    alias libs.plugins.kapt
    alias libs.plugins.hilt
}

android {
    namespace = 'com.example.hiltmicrobenchmark.benchmark'
    compileSdk = 34

    defaultConfig {
        minSdk = 24

        testInstrumentationRunner 'com.example.hiltbenchmark.HiltBenchmarkRunner'
    }

    testBuildType "benchmark"
    buildTypes {
        debug {
            // Since isDebuggable can't be modified by Gradle for library modules,
            // it must be done in a manifest. See src/androidTest/AndroidManifest.xml.
            minifyEnabled true
            proguardFiles(
                getDefaultProguardFile('proguard-android-optimize.txt'),
                'benchmark-proguard-rules.pro'
            )
        }
        benchmark {
            initWith debug"
        }
    }
}

dependencies {
    androidTestImplementation libs.bundles.hilt
    androidTestImplementation project(':benchmarkable')
    implementation libs.androidx.runner
    androidTestImplementation libs.androidx.junit
    androidTestImplementation libs.junit
    implementation libs.androidx.benchmark
    implementation libs.google.dagger.hiltTesting
    kaptAndroidTest libs.google.dagger.hiltCompiler
    androidTestAnnotationProcessor libs.google.dagger.hiltCompiler
}

上の例では次のことを行います。

必要な Gradle プラグインをビルドに適用します。
テストの実行にカスタムテストランナーを使用することを指定します。
benchmark バリアントがこのモジュールのテストタイプであることを指定します。
benchmark バリアントを追加します。
必要な依存関係を追加します。

Gradle がベンチマークを実行する connectedBenchmarkAndroidTest タスクを作成するように、testBuildType を変更する必要があります。

マイクロベンチマークを作成する

ベンチマークは次のように実装されています。

Kotlin

@RunWith(AndroidJUnit4::class)
@HiltAndroidTest
class PeopleRepositoryBenchmark {

    @get:Rule
    val benchmarkRule = BenchmarkRule()

    @get:Rule
    val hiltRule = HiltAndroidRule(this)

    private val latch = CountdownLatch(1)

    @Inject
    lateinit var peopleRepository: PeopleRepository

    @Before
    fun setup() {
        hiltRule.inject()
    }

    @Test
    fun benchmarkSort() {
        benchmarkRule.measureRepeated {
            runBlocking {
                benchmarkRule.getStart().pauseTiming()
                withContext(Dispatchers.Main.immediate) {
                    peopleRepository.peopleLiveData.observeForever(observer)
                }
                benchmarkRule.getStart().resumeTiming()
                peopleRepository.update()
                latch.await()
                assert(peopleRepository.peopleLiveData.value?.isNotEmpty() ?: false)
           }
        }
    }

    private val observer: Observer<List<Person>> = object : Observer<List<Person>> {
        override fun onChanged(people: List<Person>?) {
            peopleRepository.peopleLiveData.removeObserver(this)
            latch.countDown()
        }
    }
}

Java

@RunWith(AndroidJUnit4.class)
@HiltAndroidTest
public class PeopleRepositoryBenchmark {
    @Rule
    public BenchmarkRule benchmarkRule = new BenchmarkRule();

    @Rule
    public HiltAndroidRule hiltRule = new HiltAndroidRule(this);

    private CountdownLatch latch = new CountdownLatch(1);

    @Inject
    JavaPeopleRepository peopleRepository;

    @Before
    public void setup() {
        hiltRule.inject();
    }

    @Test
    public void benchmarkSort() {
        BenchmarkRuleKt.measureRepeated(benchmarkRule, (Function1<BenchmarkRule.Scope, Unit>) scope -> {
            benchmarkRule.getState().pauseTiming();
            new Handler(Looper.getMainLooper()).post(() -> {
                awaitValue(peopleRepository.getPeopleLiveData());
            });
            benchmarkRule.getState().resumeTiming();
            peopleRepository.update();
            try {
                latch.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            assert (!peopleRepository.getPeopleLiveData().getValue().isEmpty());
            return Unit.INSTANCE;
        });
    }

    private <T> void awaitValue(LiveData<T> liveData) {
        Observer<T> observer = new Observer<T>() {
            @Override
            public void onChanged(T t) {
                liveData.removeObserver(this);
                latch.countDown();
            }
        };
        liveData.observeForever(observer);
        return;
    }
}

上記の例では、ベンチマークと Hilt の両方のルールを作成しています。benchmarkRule はベンチマークのタイミングを実行します。hiltRule は、ベンチマークテストクラスに依存関係インジェクションを実行します。個々のテストを実行する前に、@Before 関数で Hilt ルールの inject() メソッドを呼び出して、挿入を実行する必要があります。

ベンチマーク自体は、LiveData オブザーバーが登録される間、タイミングを一時停止します。その後、ラッチを使用して LiveData が更新されるまで待機してから終了します。並べ替えは、peopleRepository.update() が呼び出されてから LiveData が更新を受け取るまでの間に実行されるため、並べ替えの時間はベンチマークのタイミングに含まれます。

microbenchmark を実行する

./gradlew :benchmark:connectedBenchmarkAndroidTest を使用してベンチマークを実行し、ベンチマークを何回も繰り返して実行し、タイミングデータを Logcat に出力します。

PeopleRepositoryBenchmark.log[Metric (timeNs) results: median 613408.3952380952, min 451949.30476190476, max 1412143.5142857144, standardDeviation: 273221.2328680522...

上の例は、1,000 個のアイテムのリストで並べ替えアルゴリズムを実行するベンチマークの結果を示しています。この結果は 0.6 ms ～ 1.4 ms です。ただし、ネットワーク呼び出しをベンチマークに含めると、反復処理間の分散が並べ替え自体の実行時間よりも大きくなります。そのため、並べ替えをネットワーク呼び出しから分離する必要があります。

いつでもコードをリファクタリングして、単独で並べ替えを簡単に実行できますが、すでに Hilt を使用している場合は、それを使用してベンチマーク用に疑似を注入できます。

計測引数の追加

Gradle を使わずに作成する

Microbenchmark と Hilt

Kotlin

Java

Hilt を使用して偽のネットワーク呼び出しを実装する

Kotlin

Java

Kotlin

Java

ベンチマーク モジュールを構成する

Kotlin

Groovy

Kotlin

Java

Kotlin

Groovy

マイクロベンチマークを作成する

Kotlin

Java

microbenchmark を実行する

ベンチマークモジュールを構成する