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JMH - Java微基准测试工具套件

JMH简介

    JMH 是 OpenJDK 团队开发的一款基准测试工具,一般用于代码的性能调优,精度甚至可以达到纳秒级别,适用于 java 以及其他基于 JVM 的语言。和 Apache JMeter 不同,JMH 测试的对象可以是任一方法,颗粒度更小,而不仅限于rest api

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

JMH基础及常用注解说明

    JMH主要是通过注解的形式编写测试单元,告诉JMH如何测试,JMH自动生成测试代码,所以在使用JMH进行微基准测试时一定要先了对JMH注解有一定了解,下面就介绍下JMH的注解。

@Benchmark

    @Benchmark用于告诉JMH哪些方法需要进行测试,只能注解在方法上,有点类似junit@Test。在测试项目进行package时,JMH会针对注解了@Benchmark的方法生成Benchmark方法代码。通常情况下,每个Benchmark方法都运行在独立的进程中,互不干涉。

@BenchmarkMode

@BenchmarkMode用于指定当前Benchmark方法使用哪种模式测试。JMH提供了4种不同的模式,用于输出不同的结果指标,如下:

  1. Throughput:吞吐量,ops/time。单位时间内执行操作的平均次数
  2. AverageTime:每次操作所需时间,time/op。执行每次操作所需的平均时间
  3. SampleTime:同 AverageTime,区别在于 SampleTime会随机取样,最后输出取样结果的分布
  4. SingleShotTime:同 AverageTime。区别在于 SingleShotTime 只执行一次操作。这种模式的结果存在较大随机性。
  5. All:上边所有的都执行一遍

@BenchmarkMode支持数组,可以指定多种模式也可以配置All,所有模式都执行一遍

@Warmup和@Measurement

    @Warmup@Measurement分别用于配置预热迭代和测试迭代。其中,iterations用于指定迭代次数,timetimeUnit用于每个迭代的时间,batchSize表示执行多少次Benchmark方法为一个invocation

@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

@Setup 和 @TearDown

这两个注解只能定义在注解了 State 里,其中,@Setup类似于 junit 的@Before,而@TearDown类似于 junit 的@After。

@State(Scope.Thread)
public class JMHSample_05_StateFixtures {

    double x;

    @Setup(Level.Iteration)
    public void prepare() {
        System.err.println("init............");
        x = Math.PI;
    }

    @TearDown(Level.Iteration)
    public void check() {
        System.err.println("destroy............");
        assert x > Math.PI : "Nothing changed?";
    }

    @Benchmark
    public void measureRight() {
        x++;
    }
}

这两个注解注释的方法的调用时机,主要受Level的控制,JMH提供了三种Level,如下:

  1. Trial:Benchmark 开始前或结束后执行,如下。Level 为 Benchmark 的 Setup 和 TearDown 方法的开销不会计入到最终结果。
  2. Iteration:Benchmark 里每个 Iteration 开始前或结束后执行,如下。Level 为 Iteration 的 Setup 和 TearDown 方法的开销不会计入到最终结果。
  3. Invocation:Iteration 里每次方法调用开始前或结束后执行,如下。Level 为 Invocation 的 Setup 和 TearDown 方法的开销将计入到最终结果

@OutputTimeUnit

为统计结果的时间单位,可用于类或者方法注解

@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。

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

IDEA插件

JMH plugin插件可以让我们像使用Junit一样使用JMH。

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:自动生成带有 @Benchmark 的方法像 JUnit 一样,运行单独的 Benchmark 方法运行类中所有的 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。

集成使用

maven依赖和插件配置

        <!-- JMH的核心包 https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jmh/jmh-core -->
        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
            <artifactId>jmh-core</artifactId>
            <version>1.21</version>
        </dependency>

        <!-- JMH依赖注解,需要注解处理包 https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jmh/jmh-generator-annprocess -->
        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
            <artifactId>jmh-generator-annprocess</artifactId>
            <version>1.21</version>
            <scope>test</scope>
        </dependency>

编写基准测试

@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();
    }
}

生成 jar 包执行

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>

运行基准测试

mvn clean install
java -jar target/jmh-demo.jar StringConnectTest

可视化

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

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