JMH-Java微基准测试工具套件-创新互联

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。

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JMH 比较典型的应用场景如下：

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
对比接口不同实现在给定条件下的吞吐量
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的@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：

Throughput：吞吐量，ops/time。单位时间内执行操作的平均次数
AverageTime：每次操作所需时间，time/op。执行每次操作所需的平均时间
SampleTime：同 AverageTime，区别在于 SampleTime会随机取样，最后输出取样结果的分布
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。
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和@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，time和timeUnit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：

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

@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：

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。
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。
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

org.openjdk.jmhjmh-core1.21org.openjdk.jmhjmh-generator-annprocess1.21test

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：

org.apache.maven.pluginsmaven-shade-plugin2.4.1 package  shade   jmh-demo   org.openjdk.jmh.Main

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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