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如何在Java中做基准测试？JMH使用初体验

如何在Java中做基准测试？JMH使用初体验

作者: 王有志 | 来源:发表于2023-04-06 15:30 被阅读0次

    大家好，我是王有志，欢迎和我聊技术，聊漂泊在外的生活。快来加入我们的Java提桶跑路群：共同富裕的Java人。

    最近公司在搞新项目，由于是实验性质，且不会直接面对客户的项目，这次的技术选型非常激进，如，直接使用了Java 17。

    作为公司里练习两年半的个人练习生，我自然也是深度的参与到了技术选型的工作中。不知道大家在技术选型中有没有关注过技术组件给出的基准测试？比如说，HikariCP的基准测试：

    图1：HikariCP的基准测试.png

    又或者是Caffeine的基准测试：

    图2：Caffeine的基准测试.png

    如果你仔细阅读过它们的基准测试报告，你会发现一项很有意思的技术：Java Microbenchmark Harness，简称JMH。

    Tips：有些技术只需要学会如何使用即可，没有必要非得“卷”源码；有些“小众”技术你没有听过，也不必慌，没有人是什么都会的。

    认识JMH

    接触JMH之前，我通常用System.currentTimeMillis()来计算方法的执行时间：

    long start = System.currentTimeMillis();
......
long duration = System.currentTimeMillis() - start;

    大部分时候这么做都很灵，但某些场景下JVM会进行JIT编译和内联优化，导致代码在优化前后的执行效率差别非常大，此时这个“土”方法就不灵了。那么该如何准确的计算方法的执行时间呢？

    Java团队为开发者提供了JMH基准测试套件：

    JMH is a Java harness for building, running, and analysing nano/micro/milli/macro benchmarks written in Java and other languages targeting the JVM.

    JMH是用于构建，运行和分析Java和其它基于JVM的语言编写的程序的基准测试套件。JMH提供了预热的能力，通过预热让JVM知道哪些是热点代码，除此之外，JMH还提供了吞吐量的测试指标。相较于“土”方法，JMH可以支持更多种的测试场景，而且基于JMH得出的测试结果也会更全面，更准确。

    使用JMH

    项目中引入JMH的依赖：

    <dependency>
  <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
  <artifactId>jmh-core</artifactId>
  <version>1.36</version>
  <scope>test</scope>
</dependency>
<dependency>  
  <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>  
  <artifactId>jmh-generator-annprocess</artifactId>  
  <version>1.36</version>  
</dependency>

    引入依赖后就可以编写一个简单的基准测试了，这里使用简化后的JMH官方示例：

    package org.openjdk.jmh.samples;

import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;  
import org.openjdk.jmh.annotations.BenchmarkMode;  
import org.openjdk.jmh.annotations.Mode;  
import org.openjdk.jmh.annotations.OutputTimeUnit;  
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;  
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;  
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;  
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;  
  
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class JMHSample_02_BenchmarkModes {

  @Benchmark
  @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
  @OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
  public void measureAvgTime() throws InterruptedException {
    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
  }
  
  public static void main(String[] args) throws RunnerException {
    Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(JMHSample_02_BenchmarkModes.class.getSimpleName())
                .forks(1)
                .build();
    new Runner(opt).run();
  }
}

    执行这个示例，会输出如下结果：


    图3：JMH执行结果示例.png

    以空行为分割的话，JMH的输出可以分为3个部分：

    • 基础信息，包括环境信息和基准测试配置；
    • 测试信息，每次预热（Warmup）和正式执行（Iteration）的信息；
    • 结果信息，基准测试的结果。

    Tips：

    • IDEA中不能使用DeBug模式运行，否则会报错；
    • 注意依赖中的scope标签为test，在src\main\java路径下是无法访问到JMH的。

    启动测试

    从示例中不难发现，在IDEA中执行测试需要先构建Options，并通过Runner去执行。我们来构建一个最简单的Options：

    Options opt = new OptionsBuilder().build();

new Runner(opt).run();

    这样的Options会执行散落在程序各处的基准测试方法（使用Benchmark注解的方法）。如果不需要执行所有的基准测试方法，通常在构建Options时会指定测试的范围：

    Options opt = new OptionsBuilder()
                  .include(JMHSample_02_BenchmarkModes.class.getSimpleName())
                  .build();

    这时基准测试仅限于Test类中的基准测试方法。除此之外，你可能还会嫌弃控制台输出样式丑陋，或者要提交的基准测试报告中需要用图示来直观的表达，这个时候可以控制输出结果的格式并指定结果输出文件：

    Options opt = new OptionsBuilder()
                  .include(JMHSample_02_BenchmarkModes.class.getSimpleName())
                  .result("result.json")
                  .resultFormat(ResultFormatType.JSON)
.build();

    再结合以下网站，可以很轻松的构建出测试结果图示：

    例如，我通过JMH Visual Chart构建出的测试结果：


    图4：测试结果图示.png

    实际上，OptionsBuilder提供的功能远不止如此，不过其中大部分功能都可以通过下文中提到注解进行配置，在此就不进行多余的说明了。

    常用注解

    JMH可以通过注解非常简单的完成基准测试的配置，接下来对其中常用的15个注解进行详细说明。

    注解：Benchmark

    注解Benchmark的声明：

    @Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Benchmark {
}

    Benchmark用于方法上且该方法必须使用public修饰，表明该方法为基准测试方法。

    注解：BenchmarkMode

    注解BenchmarkMode的声明：

    @Inherited  
@Target({ElementType.METHOD, ElementType.TYPE})  
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)  
public @interface BenchmarkMode {
  Mode[] value();  
}

    BenchmarkMode用于方法或类上，表明测试指标。枚举类Mode提供了4种测试指标：

    • Mode.Throughput，吞吐量，单位时间内执行的次数；
    • Mode.AverageTime，平均时间，执行方法的平均耗时；
    • Mode.SampleTime，操作时间采样，并输出结果分布；
    • Mode.SingleShotTime，单次操作时间，通常在不进行预热时测试冷启动的时间。

    我们来看下Mode.SampleTime的输出结果：

    图5：SampleTime的输出结果.png

    除单独使用以上测试指标外，还可以指定Mode.All进行全部指标的基准测试。

    注解：OutputTimeUnit

    注解OutputTimeUnit的声明：

    @Inherited
@Target({ElementType.METHOD,ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface OutputTimeUnit { 
  TimeUnit value();
}

    OutputTimeUnit用于方法或类上，表明输出结果的时间单位。好了，示例中的注解我们已经了解完毕，接下来我们看其它较为关键的注解。

    注解：Timeout

    注解Timeout的声明：

    @Target({ElementType.METHOD,ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Inherited
public @interface Timeout {

  int time();
  
  TimeUnit timeUnit() default TimeUnit.SECONDS;
}

    Timeout用于方法或类上，指定了基准测试方法的超时时间**。

    注解：Warmup

    注解Warmup的声明：

    @Target({ElementType.METHOD,ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Inherited
public @interface Warmup {
  int BLANK_ITERATIONS = -1;
  int BLANK_TIME = -1;
  int BLANK_BATCHSIZE = -1;

  int iterations() default BLANK_ITERATIONS;

  int time() default BLANK_TIME;

  TimeUnit timeUnit() default TimeUnit.SECONDS;

  int batchSize() default BLANK_BATCHSIZE;
}

    Warmup用于方法或类上，用于做预热配置。提供了4个参数：

    • iterations，预热迭代的次数；
    • time，每个预热迭代的时间；
    • timeUnit，时间单位；
    • batchSize，每个操作调用的次数。

    预热的执行结果并不会被统计到测试结果中，因为JIT机制的存在某些方法被反复调用后，JVM会将其编译为机器码，使其执行效率大大提高。

    注解：Measurement

    注解Measurement的声明：

    @Inherited
@Target({ElementType.METHOD,ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Measurement {
  int BLANK_ITERATIONS = -1;
  int BLANK_TIME = -1;
  int BLANK_BATCHSIZE = -1;

  int iterations() default BLANK_ITERATIONS;
  
  int time() default BLANK_TIME;
  
  TimeUnit timeUnit() default TimeUnit.SECONDS;
  
  int batchSize() default BLANK_BATCHSIZE;
}

    Measurement与Warmup的使用方法完全一致，参数含义也完全相同，区别在于Measurement属于正式测试的配置，结果会被统计。

    注解：Group

    注解Group的声明：

    @Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Group {
  String value() default "group";
}

    Group用于方法上，为测试方法分组。

    注解：State

    注解State的声明：

    @Inherited
@Target(ElementType.TYPE)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface State {
  Scope value();
}

    State用于类上，表明了类中变量的作用范围。枚举类Scope提供了3种作用域：

    • Scope.Benchmark，每个测试方法中使用一个变量；
    • Scope.Group，每个分组中使用同一个变量；
    • Scope.Thread，每个线程中使用同一个变量。

    忘记了是在哪看到有人说Scope.Benchmark的作用域是所有的基准测试方法，这个是错误的，Scope.Benchmark会为每个基准测试方法生成一个对象，例如：

    @State(Scope.Benchmark)
public static class ThreadState {
}

@Benchmark
@BenchmarkMode(Mode.SingleShotTime)
public void test1(State state) {
  System.out.println("test1执行" + VM.current().addressOf(state));
}

@Benchmark
@BenchmarkMode(Mode.SingleShotTime)
public void test2(State state) {
  System.out.println("test2执行" + VM.current().addressOf(state));
}

    这个例子中，test1和test2使用的是不同的State对象。

    Tips：VM.current().addressOf()是jol-core中提供的功能。

    注解：Setup

    注解Setup的声明：

    @Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Setup {
  Level value() default Level.Trial;
}

    Setup用于方法上，基准测试前的初始化操作。枚举类Level提供了3个级别：

    • Level.Trial，所有基准测试执行时；
    • Level.Iteration，每次迭代时；
    • Level.Invocation，每次方法调用时。

    Tips：一次迭代中，可能会出现多次方法调用。

    注解：TearDown

    注解TearDown的声明：

    @Target(ElementType.METHOD)
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface TearDown {
  Level value() default Level.Trial;
}

    TearDown用于方法上，与Setup的作用相反，是基准测试后的操作，同样使用Level提供了3个级别。

    注解：Param

    注解Param的声明：

    @Inherited
@Target({ElementType.FIELD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Param {
  
  String BLANK_ARGS = "blank_blank_blank_2014";

  String[] value() default { BLANK_ARGS };
}

    Param用于字段上，用于指定不同的参数，需要搭配State注解来使用。举个例子：

    @State(Scope.Benchmark)
public class Test {
  @Param({"10", "100", "1000", "10000"})
  int count;

  @Benchmark
  @Warmup(iterations = 0)
  @BenchmarkMode(Mode.SingleShotTime)
  public void loop() throws InterruptedException {
    for(int i = 0; i < count; i++) {
      TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
    }
  }
}

    上述代码测试了程序在循环10次，100次，1000次和10000次时的性能。

    注解：Threads

    注解Threads的声明：

    @Inherited
@Target({ElementType.METHOD,ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Threads {

  int MAX = -1;

  int value();  
}

    Threads用于方法和类上，指定基准测试中的并行线程数。当使用MAX时，将会使用所有可用线程进行测试，即Runtime.getRuntime().availableProcessors()返回的线程数。

    注解：GroupThreads

    注解GroupThreads的声明：

    @Inherited
@Target({ElementType.METHOD})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface GroupThreads {
  int value() default 1;
}

    GroupThreads用于方法上，指定基准测试分组中使用的线程数。

    注解：Fork

    注解Fork的声明：

    @Inherited  
@Target({ElementType.METHOD,ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
public @interface Fork {
  int BLANK_FORKS = -1;
  
  String BLANK_ARGS = "blank_blank_blank_2014";
  
  int value() default BLANK_FORKS;
  
  int warmups() default BLANK_FORKS;
  
  String jvm() default BLANK_ARGS;

  String[] jvmArgs() default { BLANK_ARGS };
  
  String[] jvmArgsPrepend() default { BLANK_ARGS };

  String[] jvmArgsAppend() default { BLANK_ARGS };
}

    Fork用于方法和类上，指定基准测试中Fork的子进程。Fork提供了6个参数：

    • value，表示Fork出的子进程数量；
    • warmups，预热次数；
    • jvm，JVM的位置；
    • jvmArgs，需要替换的JVM参数；
    • jvmArgsPrepend，需要添加的JVM参数；
    • jvmArgsAppend，需要追加的JVM参数。

    将Fork设置为0时，JMH会在当前JVM中运行基准测试。由于可能处于用户的JVM中，无法反应真实的服务端场景，无法准确的反应实际性能，因此JMH推荐进行 Fork设置。

    另外可以利用Fork提供的JVM设置，将JVM设置为Server模式：

    @Fork(value = 1, jvmArgsAppend = {"-Xmx1024m", "-server"})

    注解：CompilerControl

    注解CompilerControl的声明：

    @Target({ElementType.METHOD, ElementType.CONSTRUCTOR, ElementType.TYPE})  
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)  
public @interface CompilerControl {  
 
  Mode value();  
   
  enum Mode {  
    BREAK("break"),
    PRINT("print"),
    EXCLUDE("exclude"),
    INLINE("inline"),
    DONT_INLINE("dontinline"),
    COMPILE_ONLY("compileonly");
  }  
}

    CompilerControl用于方法，构造器或类上，指定编译方式。其内部枚举类提供了6种编译方式：

    • BREAK，将断点插入到编译后的代码；
    • PRINT，打印方法及其配置；
    • EXCLUDE，禁止编译；
    • INLINE，使用内联；
    • DONT_INLINE，禁止内联；
    • COMPILE_ONLY，仅编译；

    结语

    关于JMH的使用，我们就聊到这里了，希望今天的内容能够帮助你学习并掌握一种更准确的性能测试方法。

    最后提供一个练习使用JMH的思路：大家都看到了文章开头Caffeine给出的基准测试结果了，但由于是Caffeine作者自己提供的基准测试，难免有些“既当裁判又当选手”的嫌疑，或者说他选取了一些对Caffeine有利的角度来展示结果，那么可以结合你自己的实际使用场景，给Caffeine及其竞品做一次基准测试。

    好了，今天就到这里了，Bye~~

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