if 快還是 switch 快究履？HashMap 的初始化 size 要不要指定循未，指定之后性能可以提高多少涂圆？各種序列化方法哪個(gè)耗時(shí)更短泼返？
無論出自何種原因需要進(jìn)行性能評(píng)估硝逢，量化指標(biāo)總是必要的。
在大部分場(chǎng)合绅喉，簡(jiǎn)單地回答誰快誰慢是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的渠鸽，如何將程序性能量化呢？
這就需要我們的主角 JMH 登場(chǎng)了柴罐！
JMH 簡(jiǎn)介
JMH(Java Microbenchmark Harness)是用于代碼微基準(zhǔn)測(cè)試的工具套件徽缚，主要是基于方法層面的基準(zhǔn)測(cè)試，精度可以達(dá)到納秒級(jí)丽蝎。該工具是由 Oracle 內(nèi)部實(shí)現(xiàn) JIT 的大牛們編寫的猎拨，他們應(yīng)該比任何人都了解 JIT 以及 JVM 對(duì)于基準(zhǔn)測(cè)試的影響。
當(dāng)你定位到熱點(diǎn)方法屠阻，希望進(jìn)一步優(yōu)化方法性能的時(shí)候，就可以使用 JMH 對(duì)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行量化的分析额各。
JMH 比較典型的應(yīng)用場(chǎng)景如下：
- 想準(zhǔn)確地知道某個(gè)方法需要執(zhí)行多長時(shí)間国觉，以及執(zhí)行時(shí)間和輸入之間的相關(guān)性
- 對(duì)比接口不同實(shí)現(xiàn)在給定條件下的吞吐量
- 查看多少百分比的請(qǐng)求在多長時(shí)間內(nèi)完成
下面我們以字符串拼接的兩種方法為例子使用 JMH 做基準(zhǔn)測(cè)試。
加入依賴
因?yàn)?JMH 是 JDK9 自帶的虾啦，如果是 JDK9 之前的版本需要加入如下依賴（目前 JMH 的最新版本為 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>
編寫基準(zhǔn)測(cè)試
接下來麻诀，創(chuàng)建一個(gè) JMH 測(cè)試類，用來判斷 + 和 StringBuilder.append() 兩種字符串拼接哪個(gè)耗時(shí)更短傲醉，具體代碼如下所示：
@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();
}
}
其中需要測(cè)試的方法用 @Benchmark 注解標(biāo)識(shí)蝇闭，這些注解的具體含義將在下面介紹。
在 main() 函數(shù)中硬毕，首先對(duì)測(cè)試用例進(jìn)行配置呻引，使用 Builder 模式配置測(cè)試，將配置參數(shù)存入 Options 對(duì)象吐咳，并使用 Options 對(duì)象構(gòu)造 Runner 啟動(dòng)測(cè)試逻悠。
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/
執(zhí)行基準(zhǔn)測(cè)試
準(zhǔn)備工作做好了元践，接下來，運(yùn)行代碼童谒，等待片刻单旁，測(cè)試結(jié)果就出來了，下面對(duì)結(jié)果做下簡(jiǎn)單說明：
# 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)
該部分為測(cè)試的基本信息饥伊，比如使用的 Java 路徑象浑，預(yù)熱代碼的迭代次數(shù)，測(cè)量代碼的迭代次數(shù)琅豆，使用的線程數(shù)量融柬，測(cè)試的統(tǒng)計(jì)單位等。
# 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
該部分為每一次熱身中的性能指標(biāo)趋距，預(yù)熱測(cè)試不會(huì)作為最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果粒氧。預(yù)熱的目的是讓 JVM 對(duì)被測(cè)代碼進(jìn)行足夠多的優(yōu)化，比如节腐，在預(yù)熱后外盯，被測(cè)代碼應(yīng)該得到了充分的 JIT 編譯和優(yōu)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
該部分顯示測(cè)量迭代的情況翼雀，每一次迭代都顯示了當(dāng)前的執(zhí)行速率饱苟，即一個(gè)操作所花費(fèi)的時(shí)間。在進(jìn)行 5 次迭代后狼渊，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)箱熬，在本例中，length 為 100 的情況下 testStringBuilderAdd 方法的平均執(zhí)行花費(fèi)時(shí)間為 819.329 ns狈邑，誤差為 72.698 ns城须。
最后的測(cè)試結(jié)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
結(jié)果表明，在拼接字符次數(shù)越多的情況下米苹，StringBuilder.append() 的性能就更好糕伐。
生成 jar 包執(zhí)行
對(duì)于一些小測(cè)試，直接用上面的方式寫一個(gè) main 函數(shù)手動(dòng)執(zhí)行就好了蘸嘶。
對(duì)于大型的測(cè)試良瞧，需要測(cè)試的時(shí)間比較久、線程數(shù)比較多训唱，加上測(cè)試的服務(wù)器需要褥蚯，一般要放在 Linux 服務(wù)器里去執(zhí)行。
JMH 官方提供了生成 jar 包的方式來執(zhí)行况增，我們需要在 maven 里增加一個(gè) plugin赞庶，具體配置如下：
<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>
接著執(zhí)行 maven 的命令生成可執(zhí)行 jar 包并執(zhí)行：
mvn clean install
java -jar target/jmh-demo.jar StringConnectTest
JMH 基礎(chǔ)
為了能夠更好地使用 JMH 的各項(xiàng)功能，下面對(duì) JMH 的基本概念進(jìn)行講解：
@BenchmarkMode
用來配置 Mode 選項(xiàng)，可用于類或者方法上尘执，這個(gè)注解的 value 是一個(gè)數(shù)組舍哄，可以把幾種 Mode 集合在一起執(zhí)行，如：@BenchmarkMode({Mode.SampleTime, Mode.AverageTime})誊锭，還可以設(shè)置為 Mode.All表悬，即全部執(zhí)行一遍。
- Throughput：整體吞吐量丧靡，每秒執(zhí)行了多少次調(diào)用蟆沫，單位為
ops/time - AverageTime：用的平均時(shí)間，每次操作的平均時(shí)間温治，單位為
time/op - SampleTime：隨機(jī)取樣饭庞，最后輸出取樣結(jié)果的分布
- SingleShotTime：只運(yùn)行一次，往往同時(shí)把 Warmup 次數(shù)設(shè)為 0熬荆，用于測(cè)試?yán)鋯?dòng)時(shí)的性能
- All：上面的所有模式都執(zhí)行一次
@State
通過 State 可以指定一個(gè)對(duì)象的作用范圍舟山，JMH 根據(jù) scope 來進(jìn)行實(shí)例化和共享操作。@State 可以被繼承使用卤恳，如果父類定義了該注解累盗，子類則無需定義。由于 JMH 允許多線程同時(shí)執(zhí)行測(cè)試突琳，不同的選項(xiàng)含義如下：
- Scope.Benchmark：所有測(cè)試線程共享一個(gè)實(shí)例若债，測(cè)試有狀態(tài)實(shí)例在多線程共享下的性能
- Scope.Group：同一個(gè)線程在同一個(gè) group 里共享實(shí)例
- Scope.Thread：默認(rèn)的 State，每個(gè)測(cè)試線程分配一個(gè)實(shí)例
@OutputTimeUnit
為統(tǒng)計(jì)結(jié)果的時(shí)間單位拆融，可用于類或者方法注解
@Warmup
預(yù)熱所需要配置的一些基本測(cè)試參數(shù)蠢琳，可用于類或者方法上。一般前幾次進(jìn)行程序測(cè)試的時(shí)候都會(huì)比較慢镜豹，所以要讓程序進(jìn)行幾輪預(yù)熱傲须，保證測(cè)試的準(zhǔn)確性。參數(shù)如下所示：
- iterations：預(yù)熱的次數(shù)
- time：每次預(yù)熱的時(shí)間
- timeUnit：時(shí)間的單位逛艰，默認(rèn)秒
- batchSize：批處理大小躏碳，每次操作調(diào)用幾次方法
為什么需要預(yù)熱？
因?yàn)?JVM 的 JIT 機(jī)制的存在散怖，如果某個(gè)函數(shù)被調(diào)用多次之后，JVM 會(huì)嘗試將其編譯為機(jī)器碼肄渗，從而提高執(zhí)行速度镇眷，所以為了讓 benchmark 的結(jié)果更加接近真實(shí)情況就需要進(jìn)行預(yù)熱。
@Measurement
實(shí)際調(diào)用方法所需要配置的一些基本測(cè)試參數(shù)翎嫡，可用于類或者方法上欠动，參數(shù)和 @Warmup 相同。
@Threads
每個(gè)進(jìn)程中的測(cè)試線程，可用于類或者方法上具伍。
@Fork
進(jìn)行 fork 的次數(shù)翅雏，可用于類或者方法上。如果 fork 數(shù)是 2 的話人芽，則 JMH 會(huì) fork 出兩個(gè)進(jìn)程來進(jìn)行測(cè)試望几。
@Param
指定某項(xiàng)參數(shù)的多種情況，特別適合用來測(cè)試一個(gè)函數(shù)在不同的參數(shù)輸入的情況下的性能萤厅，只能作用在字段上橄抹，使用該注解必須定義 @State 注解。
在介紹完常用的注解后惕味，讓我們來看下 JMH 有哪些陷阱楼誓。
JMH 陷阱
在使用 JMH 的過程中，一定要避免一些陷阱名挥。
比如 JIT 優(yōu)化中的死碼消除疟羹，比如以下代碼：
@Benchmark
public void testStringAdd(Blackhole blackhole) {
String a = "";
for (int i = 0; i < length; i++) {
a += i;
}
}
JVM 可能會(huì)認(rèn)為變量 a 從來沒有使用過，從而進(jìn)行優(yōu)化把整個(gè)方法內(nèi)部代碼移除掉禀倔，這就會(huì)影響測(cè)試結(jié)果榄融。
JMH 提供了兩種方式避免這種問題，一種是將這個(gè)變量作為方法返回值 return a蹋艺，一種是通過 Blackhole 的 consume 來避免 JIT 的優(yōu)化消除剃袍。
其他陷阱還有常量折疊與常量傳播、永遠(yuǎn)不要在測(cè)試中寫循環(huán)捎谨、使用 Fork 隔離多個(gè)測(cè)試方法民效、方法內(nèi)聯(lián)、偽共享與緩存行涛救、分支預(yù)測(cè)畏邢、多線程測(cè)試等，感興趣的可以閱讀 https://github.com/lexburner/JMH-samples 了解全部的陷阱检吆。
JMH 插件
大家還可以通過 IDEA 安裝 JMH 插件使 JMH 更容易實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)測(cè)試舒萎，在 IDEA 中點(diǎn)擊 File->Settings...->Plugins，然后搜索 jmh蹭沛，選擇安裝 JMH plugin：
這個(gè)插件可以讓我們能夠以 JUnit 相同的方式使用 JMH臂寝，主要功能如下：
- 自動(dòng)生成帶有
@Benchmark的方法 - 像 JUnit 一樣，運(yùn)行單獨(dú)的 Benchmark 方法
- 運(yùn)行類中所有的 Benchmark 方法
比如可以通過右鍵點(diǎn)擊 Generate...摊灭，選擇操作 Generate JMH benchmark 就可以生成一個(gè)帶有 @Benchmark 的方法咆贬。
還有將光標(biāo)移動(dòng)到方法聲明并調(diào)用 Run 操作就運(yùn)行一個(gè)單獨(dú)的 Benchmark 方法。
將光標(biāo)移到類名所在行帚呼，右鍵點(diǎn)擊 Run 運(yùn)行掏缎，該類下的所有被 @Benchmark 注解的方法都會(huì)被執(zhí)行皱蹦。
JMH 可視化
除此以外，如果你想將測(cè)試結(jié)果以圖表的形式可視化眷蜈，可以試下這些網(wǎng)站：
-
JMH Visual Chart：http://deepoove.com/jmh-visual-chart/ -
JMH Visualizer：https://jmh.morethan.io/
比如將上面測(cè)試?yán)咏Y(jié)果的 json 文件導(dǎo)入沪哺，就可以實(shí)現(xiàn)可視化：
總結(jié)
本文主要介紹了性能基準(zhǔn)測(cè)試工具 JMH，它可以通過一些功能來規(guī)避由 JVM 中的 JIT 或者其他優(yōu)化對(duì)性能測(cè)試造成的影響酌儒。
只需要將待測(cè)的業(yè)務(wù)邏輯用 @Benchmark 注解標(biāo)識(shí)辜妓，就可以讓 JMH 的注解處理器自動(dòng)生成真正的性能測(cè)試代碼，以及相應(yīng)的性能測(cè)試配置文件今豆。
最好的關(guān)系就是互相成就嫌拣，大家的在看、轉(zhuǎn)發(fā)呆躲、留言三連就是我創(chuàng)作的最大動(dòng)力异逐。
參考
http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jmh/
深入拆解Java虛擬機(jī)
《實(shí)戰(zhàn)Java高并發(fā)程序設(shè)計(jì)》
