性能调优必备利器之 JMH

if 快还是 switch 快？HashMap 的初始化 size 要不要指定，指定之后性能可以提高多少？各种序列化方法哪个耗时更短？

无论出自何种原因需要进行性能评估，量化指标总是必要的。

在大部分场合，简单地回答谁快谁慢是远远不够的，如何将程序性能量化呢？

这就需要我们的主角 JMH 登场了！

JMH 简介

JMH(Java Microbenchmark Harness)是用于代码微基准测试的工具套件，主要是基于方法层面的基准测试，精度可以达到纳秒级。该工具是由 Oracle 内部实现 JIT 的大牛们编写的，他们应该比任何人都了解 JIT 以及 JVM 对于基准测试的影响。

当你定位到热点方法，希望进一步优化方法性能的时候，就可以使用 JMH 对优化的结果进行量化的分析。

JMH 比较典型的应用场景如下：

1. 想准确地知道某个方法需要执行多长时间，以及执行时间和输入之间的相关性
2. 对比接口不同实现在给定条件下的吞吐量
3. 查看多少百分比的请求在多长时间内完成

下面我们以字符串拼接的两种方法为例子使用 JMH 做基准测试。

加入依赖

因为 JMH 是 JDK9 自带的，如果是 JDK9 之前的版本需要加入如下依赖（目前 JMH 的最新版本为 1.23）：

<dependency>

    <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>

    <artifactId>jmh-core</artifactId>

    <version>1.23</version>

</dependency>

<dependency>

    <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>

    <artifactId>jmh-generator-annprocess</artifactId>

    <version>1.23</version>

</dependency>

编写基准测试

接下来，创建一个 JMH 测试类，用来判断 + 和 StringBuilder.append() 两种字符串拼接哪个耗时更短，具体代码如下所示：

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)

@Warmup(iterations = 3, time = 1)

@Measurement(iterations = 5, time = 5)

@Threads(4)

@Fork(1)

@State(value = Scope.Benchmark)

@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)

public class StringConnectTest {

    @Param(value = {"10", "50", "100"})

    private int length;

    @Benchmark

    public void testStringAdd(Blackhole blackhole) {

        String a = "";

        for (int i = 0; i < length; i++) {

            a += i;

        }

        blackhole.consume(a);

    }

    @Benchmark

    public void testStringBuilderAdd(Blackhole blackhole) {

        StringBuilder sb = new StringBuilder();

        for (int i = 0; i < length; i++) {

            sb.append(i);

        }

        blackhole.consume(sb.toString());

    }

    public static void main(String[] args) throws RunnerException {

        Options opt = new OptionsBuilder()

                .include(StringConnectTest.class.getSimpleName())

                .result("result.json")

                .resultFormat(ResultFormatType.JSON).build();

        new Runner(opt).run();

    }

}

其中需要测试的方法用 @Benchmark 注解标识，这些注解的具体含义将在下面介绍。

在 main() 函数中，首先对测试用例进行配置，使用 Builder 模式配置测试，将配置参数存入 Options 对象，并使用 Options 对象构造 Runner 启动测试。

另外大家可以看下官方提供的 jmh 示例 demo：http://hg.openjdk.java.net/code-tools/jmh/file/tip/jmh-samples/src/main/java/org/openjdk/jmh/samples/

执行基准测试

准备工作做好了，接下来，运行代码，等待片刻，测试结果就出来了，下面对结果做下简单说明：

# JMH version: 1.23

# VM version: JDK 1.8.0_201, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM, 25.201-b09

# VM invoker: D:\Software\Java\jdk1.8.0_201\jre\bin\java.exe

# VM options: -javaagent:D:\Software\JetBrains\IntelliJ IDEA 2019.1.3\lib\idea_rt.jar=61018:D:\Software\JetBrains\IntelliJ IDEA 2019.1.3\bin -Dfile.encoding=UTF-8

# Warmup: 3 iterations, 1 s each

# Measurement: 5 iterations, 5 s each

# Timeout: 10 min per iteration

# Threads: 4 threads, will synchronize iterations

# Benchmark mode: Average time, time/op

# Benchmark: com.wupx.jmh.StringConnectTest.testStringBuilderAdd

# Parameters: (length = 100)

该部分为测试的基本信息，比如使用的 Java 路径，预热代码的迭代次数，测量代码的迭代次数，使用的线程数量，测试的统计单位等。

# Warmup Iteration   1: 1083.569 ±(99.9%) 393.884 ns/op

# Warmup Iteration   2: 864.685 ±(99.9%) 174.120 ns/op

# Warmup Iteration   3: 798.310 ±(99.9%) 121.161 ns/op

该部分为每一次热身中的性能指标，预热测试不会作为最终的统计结果。预热的目的是让 JVM 对被测代码进行足够多的优化，比如，在预热后，被测代码应该得到了充分的 JIT 编译和优化。

Iteration   1: 810.667 ±(99.9%) 51.505 ns/op

Iteration   2: 807.861 ±(99.9%) 13.163 ns/op

Iteration   3: 851.421 ±(99.9%) 33.564 ns/op

Iteration   4: 805.675 ±(99.9%) 33.038 ns/op

Iteration   5: 821.020 ±(99.9%) 66.943 ns/op

Result "com.wupx.jmh.StringConnectTest.testStringBuilderAdd":

  819.329 ±(99.9%) 72.698 ns/op [Average]

  (min, avg, max) = (805.675, 819.329, 851.421), stdev = 18.879

  CI (99.9%): [746.631, 892.027] (assumes normal distribution)

Benchmark                               (length)  Mode  Cnt     Score     Error  Units

StringConnectTest.testStringBuilderAdd       100  avgt    5   819.329 ±  72.698  ns/op

该部分显示测量迭代的情况，每一次迭代都显示了当前的执行速率，即一个操作所花费的时间。在进行 5 次迭代后，进行统计，在本例中，length 为 100 的情况下 testStringBuilderAdd 方法的平均执行花费时间为 819.329 ns，误差为 72.698 ns。

最后的测试结果如下所示：

Benchmark                               (length)  Mode  Cnt     Score     Error  Units

StringConnectTest.testStringAdd               10  avgt    5   161.496 ±  17.097  ns/op

StringConnectTest.testStringAdd               50  avgt    5  1854.657 ± 227.902  ns/op

StringConnectTest.testStringAdd              100  avgt    5  6490.062 ± 327.626  ns/op

StringConnectTest.testStringBuilderAdd        10  avgt    5    68.769 ±   4.460  ns/op

StringConnectTest.testStringBuilderAdd        50  avgt    5   413.021 ±  30.950  ns/op

StringConnectTest.testStringBuilderAdd       100  avgt    5   819.329 ±  72.698  ns/op

结果表明，在拼接字符次数越多的情况下，StringBuilder.append() 的性能就更好。

生成 jar 包执行

对于一些小测试，直接用上面的方式写一个 main 函数手动执行就好了。

对于大型的测试，需要测试的时间比较久、线程数比较多，加上测试的服务器需要，一般要放在 Linux 服务器里去执行。

JMH 官方提供了生成 jar 包的方式来执行，我们需要在 maven 里增加一个 plugin，具体配置如下：

<plugins>

    <plugin>

        <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>

        <artifactId>maven-shade-plugin</artifactId>

        <version>2.4.1</version>

        <executions>

            <execution>

                <phase>package</phase>

                <goals>

                    <goal>shade</goal>

                </goals>

                <configuration>

                    <finalName>jmh-demo</finalName>

                    <transformers>

                        <transformer

                                implementation="org.apache.maven.plugins.shade.resource.ManifestResourceTransformer">

                            <mainClass>org.openjdk.jmh.Main</mainClass>

                        </transformer>

                    </transformers>

                </configuration>

            </execution>

        </executions>

    </plugin>

</plugins>

接着执行 maven 的命令生成可执行 jar 包并执行：

mvn clean install

java -jar target/jmh-demo.jar StringConnectTest

JMH 基础

为了能够更好地使用 JMH 的各项功能，下面对 JMH 的基本概念进行讲解：

@BenchmarkMode

用来配置 Mode 选项，可用于类或者方法上，这个注解的 value 是一个数组，可以把几种 Mode 集合在一起执行，如：@BenchmarkMode({Mode.SampleTime, Mode.AverageTime})，还可以设置为 Mode.All，即全部执行一遍。

1. Throughput：整体吞吐量，每秒执行了多少次调用，单位为 ops/time
2. AverageTime：用的平均时间，每次操作的平均时间，单位为 time/op
3. SampleTime：随机取样，最后输出取样结果的分布
4. SingleShotTime：只运行一次，往往同时把 Warmup 次数设为 0，用于测试冷启动时的性能
5. All：上面的所有模式都执行一次

@State

通过 State 可以指定一个对象的作用范围，JMH 根据 scope 来进行实例化和共享操作。@State 可以被继承使用，如果父类定义了该注解，子类则无需定义。由于 JMH 允许多线程同时执行测试，不同的选项含义如下：

1. Scope.Benchmark：所有测试线程共享一个实例，测试有状态实例在多线程共享下的性能
2. Scope.Group：同一个线程在同一个 group 里共享实例
3. Scope.Thread：默认的 State，每个测试线程分配一个实例

@OutputTimeUnit

为统计结果的时间单位，可用于类或者方法注解

@Warmup

预热所需要配置的一些基本测试参数，可用于类或者方法上。一般前几次进行程序测试的时候都会比较慢，所以要让程序进行几轮预热，保证测试的准确性。参数如下所示：

1. iterations：预热的次数
2. time：每次预热的时间
3. timeUnit：时间的单位，默认秒
4. batchSize：批处理大小，每次操作调用几次方法

@Measurement

实际调用方法所需要配置的一些基本测试参数，可用于类或者方法上，参数和 @Warmup 相同。

@Threads

每个进程中的测试线程，可用于类或者方法上。

@Fork

进行 fork 的次数，可用于类或者方法上。如果 fork 数是 2 的话，则 JMH 会 fork 出两个进程来进行测试。

@Param

指定某项参数的多种情况，特别适合用来测试一个函数在不同的参数输入的情况下的性能，只能作用在字段上，使用该注解必须定义 @State 注解。

在介绍完常用的注解后，让我们来看下 JMH 有哪些陷阱。

JMH 陷阱

在使用 JMH 的过程中，一定要避免一些陷阱。

比如 JIT 优化中的死码消除，比如以下代码：

@Benchmark

public void testStringAdd(Blackhole blackhole) {

    String a = "";

    for (int i = 0; i < length; i++) {

        a += i;

    }

}

JVM 可能会认为变量 a 从来没有使用过，从而进行优化把整个方法内部代码移除掉，这就会影响测试结果。

JMH 提供了两种方式避免这种问题，一种是将这个变量作为方法返回值 return a，一种是通过 Blackhole 的 consume 来避免 JIT 的优化消除。

其他陷阱还有常量折叠与常量传播、永远不要在测试中写循环、使用 Fork 隔离多个测试方法、方法内联、伪共享与缓存行、分支预测、多线程测试等，感兴趣的可以阅读 https://github.com/lexburner/JMH-samples 了解全部的陷阱。

JMH 插件

大家还可以通过 IDEA 安装 JMH 插件使 JMH 更容易实现基准测试，在 IDEA 中点击 File->Settings...->Plugins，然后搜索 jmh，选择安装 JMH plugin：

这个插件可以让我们能够以 JUnit 相同的方式使用 JMH，主要功能如下：

1. 自动生成带有 @Benchmark 的方法
2. 像 JUnit 一样，运行单独的 Benchmark 方法
3. 运行类中所有的 Benchmark 方法

比如可以通过右键点击 Generate...，选择操作 Generate JMH benchmark 就可以生成一个带有 @Benchmark 的方法。

还有将光标移动到方法声明并调用 Run 操作就运行一个单独的 Benchmark 方法。

将光标移到类名所在行，右键点击 Run 运行，该类下的所有被 @Benchmark 注解的方法都会被执行。

JMH 可视化

除此以外，如果你想将测试结果以图表的形式可视化，可以试下这些网站：

• JMH Visual Chart：http://deepoove.com/jmh-visual-chart/
• JMH Visualizer：https://jmh.morethan.io/

比如将上面测试例子结果的 json 文件导入，就可以实现可视化：

总结

本文主要介绍了性能基准测试工具 JMH，它可以通过一些功能来规避由 JVM 中的 JIT 或者其他优化对性能测试造成的影响。

只需要将待测的业务逻辑用 @Benchmark 注解标识，就可以让 JMH 的注解处理器自动生成真正的性能测试代码，以及相应的性能测试配置文件。

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