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Implementation Plan: Benchmark System

Overview

本实现计划将 Benchmark 系统分解为可执行的编码任务，按照依赖关系排序。实现采用 C++ 和 Python 混合方案：C++ 负责核心基准测试执行，Python 负责报告生成和可视化。

Tasks

  • 1. 项目结构和基础设施

  • 1.1 创建 benchmark 系统目录结构

    • 创建 benchmark_results/ 目录结构（results/, baselines/, reports/, data/）
    • 更新 .gitignore 排除临时结果文件
    • Requirements: 2.4

  • 1.2 扩展 CMakeLists.txt 支持新的 benchmark 目标

    • 添加 benchmark_full 目标，包含所有基准测试
    • 配置 JSON 输出选项
    • Requirements: 1.1

  • 2. 数据模型和序列化

  • 2.1 实现 BenchmarkResult 和 BenchmarkReport 数据结构

    • 在 include/fqtools/benchmark/types.h 中定义数据结构
    • 包含所有必需字段：name, category, iterations, mean_time_ns, std_dev_ns, throughput_mbps, peak_memory_bytes, thread_count, input_size
    • Requirements: 2.2

  • 2.2 实现 SystemMetadata 数据结构和收集器

    • 实现 CPU、内存、OS 信息收集
    • 实现 Git commit 和 branch 获取
    • Requirements: 2.3

  • 2.3 实现 JSON 序列化/反序列化

    • 使用 nlohmann-json 实现 to_json/from_json
    • 确保所有必需字段都被序列化
    • Requirements: 2.1

  • [ ]* 2.4 编写属性测试：JSON 输出完整性

    • Property 1: JSON Output Completeness
    • Validates: Requirements 2.1, 2.2, 2.3

  • 3. Checkpoint - 确保数据模型测试通过

  • 确保所有测试通过，如有问题请询问用户

  • 4. 基准测试执行器

  • 4.1 重构现有 fastq_io_benchmark.cpp

    • 添加多线程配置支持
    • 添加多种输入大小支持
    • 输出结构化结果
    • Requirements: 1.2, 1.6, 1.7

  • 4.2 实现 Filter 命令基准测试

    • 创建 filter_benchmark.cpp
    • 测试不同过滤配置的性能
    • Requirements: 1.4

  • 4.3 实现 Stat 命令基准测试

    • 创建 stat_benchmark.cpp
    • 测试不同文件大小的分析吞吐量
    • Requirements: 1.5

  • 4.4 实现错误处理和恢复机制

    • 捕获单个 benchmark 失败
    • 记录错误并继续执行其他 benchmark
    • Requirements: 1.8

  • [ ]* 4.5 编写属性测试：指标收集完整性

    • Property 2: Metric Collection Completeness
    • Validates: Requirements 1.2, 1.3, 1.4, 1.5

  • [ ]* 4.6 编写属性测试：配置传播

    • Property 3: Configuration Propagation
    • Validates: Requirements 1.6, 1.7

  • [ ]* 4.7 编写属性测试：错误恢复

    • Property 13: Error Resilience
    • Validates: Requirements 1.8

  • 5. Checkpoint - 确保基准测试执行器测试通过

  • 确保所有测试通过，如有问题请询问用户

  • 6. 结果存储和历史管理

  • 6.1 实现结果文件命名和存储

    • 格式：YYYY-MM-DD_HH-MM-SS_<commit>.json
    • 存储到 benchmark_results/results/
    • Requirements: 2.4, 2.5

  • 6.2 实现基线管理功能

    • 保存当前结果为命名基线
    • 列出所有可用基线
    • 加载指定基线
    • Requirements: 6.1, 6.2, 6.3, 6.4

  • [ ]* 6.3 编写属性测试：历史数据保留

    • Property 4: Historical Data Preservation
    • Validates: Requirements 2.4, 2.5

  • [ ]* 6.4 编写属性测试：基线管理

    • Property 12: Baseline Management
    • Validates: Requirements 6.2, 6.4, 6.5

  • 7. 测试数据生成器

  • 7.1 增强现有 gen_fastq.py 脚本

    • 添加更多配置选项（质量分布、N 比例）
    • 支持生成压缩文件
    • Requirements: 7.2, 7.3

  • 7.2 实现输入文件验证

    • 验证 FASTQ 格式正确性
    • 支持 .gz 和未压缩文件
    • Requirements: 7.4, 7.5

  • [ ]* 7.3 编写属性测试：数据生成器正确性

    • Property 7: Data Generator Correctness
    • Validates: Requirements 7.2, 7.3

  • [ ]* 7.4 编写属性测试：输入验证

    • Property 8: Input Validation
    • Validates: Requirements 7.4

  • [ ]* 7.5 编写属性测试：文件格式支持

    • Property 9: File Format Support
    • Validates: Requirements 7.5

  • 8. Checkpoint - 确保数据生成和验证测试通过

  • 确保所有测试通过，如有问题请询问用户

  • 9. 报告生成器 (Python)

  • 9.1 创建 Python 报告生成器框架

    • 创建 tools/benchmark/scripts/report_generator.py
    • 实现 JSON 结果加载
    • Requirements: 3.1

  • 9.2 实现 Markdown 报告生成

    • 生成性能摘要表格
    • 生成配置对比表格
    • Requirements: 3.3, 3.6

  • 9.3 实现图表生成

    • 使用 matplotlib 生成吞吐量趋势图
    • 生成线程扩展性图
    • 输出 SVG/PNG 格式
    • Requirements: 3.1, 3.2, 3.4

  • 9.4 实现 README 嵌入功能

    • 生成可嵌入的性能摘要
    • 实现文档更新（保留现有内容）
    • Requirements: 8.1, 8.2, 8.3

  • [ ]* 9.5 编写属性测试：Markdown 报告有效性

    • Property 10: Markdown Report Validity
    • Validates: Requirements 3.3, 3.6

  • [ ]* 9.6 编写属性测试：文档更新保留

    • Property 11: Documentation Update Preservation
    • Validates: Requirements 8.3, 8.4

  • 10. 回归检测器

  • 10.1 实现回归检测逻辑

    • 创建 tools/benchmark/scripts/regression_detector.py
    • 实现阈值比较（10% warning, 20% critical）
    • 支持自定义阈值
    • Requirements: 4.1, 4.2, 4.5

  • 10.2 实现回归报告输出

    • 生成详细的指标对比
    • 输出 CI 友好格式
    • Requirements: 4.3, 4.4

  • [ ]* 10.3 编写属性测试：回归检测阈值

    • Property 5: Regression Detection Thresholds
    • Validates: Requirements 4.1, 4.2, 4.4, 4.5

  • 11. Checkpoint - 确保报告和回归检测测试通过

  • 确保所有测试通过，如有问题请询问用户

  • 12. CLI 和 CI 集成

  • 12.1 创建统一的 benchmark CLI 脚本

    • 创建 scripts/benchmark 主入口
    • 实现 run/report/compare/baseline 子命令
    • Requirements: 5.1

  • 12.2 实现 CI 模式

    • 添加 --ci 标志
    • 实现 GitHub Actions 注解输出
    • 实现正确的退出码
    • Requirements: 5.2, 5.3, 5.4

  • 12.3 创建 GitHub Actions workflow

    • 创建 .github/workflows/benchmark.yml
    • 配置定期运行和 PR 触发
    • Requirements: 5.1

  • 12.4 实现性能徽章生成

    • 生成 shields.io 兼容的徽章
    • Requirements: 5.5

  • [ ]* 12.5 编写属性测试：CI 退出码一致性

    • Property 6: CI Exit Code Consistency
    • Validates: Requirements 5.2, 5.4

  • 13. 文档和集成

  • 13.1 创建性能报告文档页面

    • 创建 docs/performance/benchmark-report.md
    • 包含方法论和系统规格说明
    • Requirements: 8.1, 8.4

  • 13.2 更新 README.md 添加性能部分

    • 添加性能摘要部分
    • 添加性能徽章
    • Requirements: 8.2

  • 13.3 创建 benchmark 使用文档

    • 创建 docs/dev/benchmark-guide.md
    • 说明如何运行和解读 benchmark
    • Requirements: 8.4

  • 14. Final Checkpoint - 确保所有测试通过

  • 运行完整测试套件
  • 验证 CI 集成工作正常
  • 确保所有测试通过，如有问题请询问用户

Notes

  • Tasks marked with * are optional and can be skipped for faster MVP
  • Each task references specific requirements for traceability
  • Checkpoints ensure incremental validation
  • Property tests validate universal correctness properties
  • C++ 部分使用 Google Test，Python 部分使用 pytest + hypothesis