Java中使用JMH(Java Microbenchmark Harness 微基准测试框架)进行性能测试和优化

谁践踏了优雅 2023-10-13 17:21 6阅读 0赞

## 场景 ##

Jmeter进行http接口压力测试：

[https://www.cnblogs.com/badaoliumangqizhi/p/16301432.html][https_www.cnblogs.com_badaoliumangqizhi_p_16301432.html]

### JMH ###

JMH，全称Java Microbenchmark Harness (微基准测试框架），是专门用于Java代码微基准测试的一套测试工具API，

是由Java虚拟机团队开发的的，一般用于代码的性能调优。

MicroBenchmark就是在method层面上的benchmark，精度可以精确到微秒级、甚至可以达到纳秒级别，

适用于 java 以及其他基于 JVM 的语言。与Apache JMeter 不同，JMH 测试的对象可以是任一方法，颗粒度更小，

而不仅限于接口以及API层面。

#### JMH比较典型的应用场景 ####

想要知道某个函数需要执行多长时间，以及执行时间和输入之间的相关性

想要对比接口不同实现在给定条件下的吞吐量大小

想要知道百分之N的请求在多长时间内完成

想要找出了热点函数，需要对热点函数进行进一步优化时

针对于函数的多种实现方式（例如JSON序列化/反序列化有Jackson和Gson实现），不知道哪种实现性能更好

JMH官方仓库：

[GitHub - openjdk/jmh: https://openjdk.org/projects/code-tools/jmh][GitHub - openjdk_jmh_ https_openjdk.org_projects_code-tools_jmh]

JMH官网示例demo:

[code-tools/jmh: 2be2df7dbaf8 jmh-samples/src/main/java/org/openjdk/jmh/samples/JMHSample\_01\_HelloWorld.java][code-tools_jmh_ 2be2df7dbaf8 jmh-samples_src_main_java_org_openjdk_jmh_samples_JMHSample_01_HelloWorld.java]

注：

博客：  
[霸道流氓气质的博客\_CSDN博客-C\#,架构之路,SpringBoot领域博主][CSDN_-C_SpringBoot]

## 实现 ##

1、首先如果jdk小于1.9，则需要添加依赖

<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>

2、参考上面官网提供helloworld的demo

package org.openjdk.jmh.samples;
    
    import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;
    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;
    
    public class JMHSample_01_HelloWorld {
    
        @Benchmark
        public void wellHelloThere() {
          
        }
    
        public static void main(String[] args) throws RunnerException {
            Options opt = new OptionsBuilder()
                    .include(JMHSample_01_HelloWorld.class.getSimpleName())
                    .forks(1)
                    .build();
    
            new Runner(opt).run();
        }
    
    }

可知需要新建类，并在main方法中这样写去启动基准测试和执行测试。

然后需要进行测试的方法添加@Benchmark注解。

3、按照上面官网提供的示例，对比ArrayList与LinkedList在头部进行添加时的性能测试添加一些细节

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
    import org.openjdk.jmh.infra.Blackhole;
    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.ArrayList;
    import java.util.LinkedList;
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    
    //测试完成时间
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
    //设置统计结果的时间单位
    @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
    //预热所需要配置的一些基本测试参数
    @Warmup(iterations = 2,time = 1,timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
    //测试次数和时间
    @Measurement(iterations = 5,time = 5,timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
    //fork一个线程
    @Fork(1)
    //通过 State 可以指定一个对象的作用范围
    @State(Scope.Thread)
    public class ArrayListWithLinkedListTestHeaderAdd {
    
        private static final int maxSize = 10000; //测试循环次数
        private static final int operationSize = 100; //操作次数
    
        private static ArrayList<Integer> arrayList;
        private static LinkedList<Integer> linkedList;
    
        public static void main(String[] args) throws RunnerException {
            //启动基准测试
            Options opt = new OptionsBuilder()
                    .include(ArrayListWithLinkedListTestHeaderAdd.class.getSimpleName())  //要导入的测试类
                    .build();
            //执行测试
            new Runner(opt).run();
        }
    
        //@Setup作用于方法上，用于测试前的初始化工作
        @Setup
        public void init(){
            arrayList = new ArrayList<Integer>();
            linkedList = new LinkedList<Integer>();
            for (int i = 0; i < maxSize; i++) {
                arrayList.add(i);
                linkedList.add(i);
            }
        }
    
        //用于回收某些资源
        @TearDown
        public void finish(){
           
        }
    
        @Benchmark
        public void addArrayByFirst(Blackhole blackhole){
            for (int i = 0; i < operationSize; i++) {
                arrayList.add(i,i);
            }
            //为了避免JIT忽略未被使用的结果计算/为了避免死码消除问题
            blackhole.consume(arrayList);
        }
    
        @Benchmark
        public void addLinkedByFirst(Blackhole blackhole){
            for (int i = 0; i < operationSize; i++) {
                linkedList.add(i,i);
            }
            //为了避免JIT忽略未被使用的结果计算/为了避免死码消除问题
            blackhole.consume(linkedList);
        }
    }

这里加了一些注解，并配置了一些参数。

4、JMH部分注解说明

@Benchmark

需要测试的方法，添加该注解。

@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。

Throughput：整体吞吐量，每秒执行了多少次调用，单位为 ops/time

AverageTime：用的平均时间，每次操作的平均时间，单位为 time/op

SampleTime：随机取样，最后输出取样结果的分布

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

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：

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

Scope.Group：同一个线程在同一个 group 里共享实例

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：

iterations：预热的次数

time：每次预热的时间

timeUnit：时间的单位，默认秒

batchSize：批处理大小，每次操作调用几次方法

为什么需要预热？

因为 JVM 的 JIT 机制的存在，如果某个函数被调用多次之后，JVM 会尝试将其编译为机器码，从而提高执行速度，

所以为了让 benchmark 的结果更加接近真实情况就需要进行预热。

@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。

@Setup

方法注解，会在执行 benchmark 之前被执行，正如其名，主要用于初始化。

@TearDown

方法注解，与@Setup 相对的，会在所有 benchmark 执行结束以后执行，主要用于资源的回收等

5、运行上面的main方法，对比测试两个方法的性能

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[GitHub - openjdk_jmh_ https_openjdk.org_projects_code-tools_jmh]: https://github.com/openjdk/jmh
[code-tools_jmh_ 2be2df7dbaf8 jmh-samples_src_main_java_org_openjdk_jmh_samples_JMHSample_01_HelloWorld.java]: https://hg.openjdk.org/code-tools/jmh/file/2be2df7dbaf8/jmh-samples/src/main/java/org/openjdk/jmh/samples/JMHSample_01_HelloWorld.java
[CSDN_-C_SpringBoot]: https://blog.csdn.net/badao_liumang_qizhi
[68f7eccb6c9b4370a238b8cc9984455e.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/68f7eccb6c9b4370a238b8cc9984455e.png
[Image 1]: