Java測(cè)試，你真的搞懂了嗎？

在日常開發(fā)中，我們對(duì)一些代碼的調(diào)用或者工具的使用會(huì)存在多種選擇方式，在不確定他們性能的時(shí)候，我們首先想要做的就是去測(cè)量它。大多數(shù)時(shí)候，我們會(huì)簡(jiǎn)單的采用多次計(jì)數(shù)的方式來測(cè)量，來看這個(gè)方法的總耗時(shí)。

但是，如果熟悉JVM類加載機(jī)制的話，應(yīng)該知道JVM默認(rèn)的執(zhí)行模式是JIT編譯與解釋混合執(zhí)行。JVM通過熱點(diǎn)代碼統(tǒng)計(jì)分析，識(shí)別高頻方法的調(diào)用、循環(huán)體、公共模塊等，基于JIT動(dòng)態(tài)編譯技術(shù)，會(huì)將熱點(diǎn)代碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼，直接交給CPU執(zhí)行。

也就是說，JVM會(huì)不斷的進(jìn)行編譯優(yōu)化，這就使得很難確定重復(fù)多少次才能得到一個(gè)穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果？所以，很多有經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)會(huì)在測(cè)試代碼前寫一段預(yù)熱的邏輯。

JMH，全稱 Java Microbenchmark Harness (微基準(zhǔn)測(cè)試框架），是專門用于Java代碼微基準(zhǔn)測(cè)試的一套測(cè)試工具API，是由 OpenJDK/Oracle 官方發(fā)布的工具。何謂 Micro Benchmark 呢？簡(jiǎn)單地說就是在 method 層面上的 benchmark，精度可以精確到微秒級(jí)。

Java的基準(zhǔn)測(cè)試需要注意的幾個(gè)點(diǎn)：

• 測(cè)試前需要預(yù)熱。
• 防止無用代碼進(jìn)入測(cè)試方法中。
• 并發(fā)測(cè)試。
• 測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)。

JMH的使用場(chǎng)景：

1. 定量分析某個(gè)熱點(diǎn)函數(shù)的優(yōu)化效果
2. 想定量地知道某個(gè)函數(shù)需要執(zhí)行多長(zhǎng)時(shí)間，以及執(zhí)行時(shí)間和輸入變量的相關(guān)性
3. 對(duì)比一個(gè)函數(shù)的多種實(shí)現(xiàn)方式

本篇主要是介紹JMH的DEMO演示，和常用的注解參數(shù)。希望能對(duì)你起到幫助。

DEMO 演示

這里先演示一個(gè)DEMO，讓不了解JMH的同學(xué)能夠快速掌握這個(gè)工具的大概用法。

1. 測(cè)試項(xiàng)目構(gòu)建

JMH是內(nèi)置Java9及之后的版本。這里是以Java8進(jìn)行說明。

為了方便，這里直接介紹使用maven構(gòu)建JMH測(cè)試項(xiàng)目的方式。

第一種是使用命令行構(gòu)建，在指定目錄下執(zhí)行以下命令：

$?mvn?archetype:generate?\
??????????-DinteractiveMode=false?\
??????????-DarchetypeGroupId=org.openjdk.jmh?\
??????????-DarchetypeArtifactId=jmh-java-benchmark-archetype?\
??????????-DgroupId=org.sample?\
??????????-DartifactId=test?\
??????????-Dversion=1.0

對(duì)應(yīng)目錄下會(huì)出現(xiàn)一個(gè)test項(xiàng)目，打開項(xiàng)目后我們會(huì)看到這樣的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)。

第二種方式就是直接在現(xiàn)有的maven項(xiàng)目中添加jmh-core和jmh-generator-annprocess的依賴來集成JMH。

<dependency>
????<groupId>org.openjdk.jmhgroupId>
????<artifactId>jmh-coreartifactId>
????<version>${jmh.version}version>
dependency>
<dependency>
????<groupId>org.openjdk.jmhgroupId>
????<artifactId>jmh-generator-annprocessartifactId>
????<version>${jmh.version}version>
????<scope>providedscope>
dependency>

2. 編寫性能測(cè)試

這里我以測(cè)試LinkedList 通過index 方式迭代和foreach 方式迭代的性能差距為例子，編寫測(cè)試類，涉及到的注解在之后會(huì)講解。

/**
?*?@author?Richard_yyf
?*?@version?1.0?2019/8/27
?*/

@State(Scope.Benchmark)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.SECONDS)
@Threads(Threads.MAX)
public?class?LinkedListIterationBenchMark?{
?private?static?final?int?SIZE?=?10000;

????private?List?list?=?new?LinkedList<>();

????@Setup
????public?void?setUp()?{
????????for?(int?i?=?0;?i?????????????list.add(String.valueOf(i));
????????}
????}

????@Benchmark
????@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
????public?void?forIndexIterate()?{
????????for?(int?i?=?0;?i?????????????list.get(i);
????????????System.out.print("");
????????}
????}

????@Benchmark
????@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
????public?void?forEachIterate()?{
????????for?(String?s?:?list)?{
????????????System.out.print("");
????????}
????}
}

3. 執(zhí)行測(cè)試

運(yùn)行?JMH?基準(zhǔn)測(cè)試有兩種方式，一個(gè)是生產(chǎn)jar文件運(yùn)行，另一個(gè)是直接寫main函數(shù)或者放在單元測(cè)試中執(zhí)行。

生成jar文件的形式主要是針對(duì)一些比較大的測(cè)試，可能對(duì)機(jī)器性能或者真實(shí)環(huán)境模擬有一些需求，需要將測(cè)試方法寫好了放在linux環(huán)境執(zhí)行。

具體命令如下

$?mvn?clean?install
$?java?-jar?target/benchmarks.jar

我們?nèi)粘Ｖ杏龅降囊话闶且恍┬y(cè)試，比如我上面寫的例子，直接在IDE中跑就好了。

啟動(dòng)方式如下：

public?static?void?main(String[]?args)?throws?RunnerException?{
????Options?opt?=?new?OptionsBuilder()
????????????.include(LinkedListIterationBenchMark.class.getSimpleName())
????????????.forks(1)
????????????.warmupIterations(2)
????????????.measurementIterations(2)
?????????.output("E:/Benchmark.log")
????????????.build();

????new?Runner(opt).run();
}

4. 報(bào)告結(jié)果

輸出結(jié)果如下，

最后的結(jié)果：

Benchmark??????????????????????????????????????Mode??Cnt?????Score???Error??Units
LinkedListIterationBenchMark.forEachIterate???thrpt????2??1192.380??????????ops/s
LinkedListIterationBenchMark.forIndexIterate??thrpt????2???206.866??????????ops/s

整個(gè)過程：

#?Detecting?actual?CPU?count:?12?detected
#?JMH?version:?1.21
#?VM?version:?JDK?1.8.0_131,?Java?HotSpot(TM)?64-Bit?Server?VM,?25.131-b11
#?VM?invoker:?C:\Program?Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\bin\java.exe
#?VM?options:?-javaagent:D:\Program?Files\JetBrains\IntelliJ?IDEA?2018.2.2\lib\idea_rt.jar=65175:D:\Program?Files\JetBrains\IntelliJ?IDEA?2018.2.2\bin?-Dfile.encoding=UTF-8
#?Warmup:?2?iterations,?10?s?each
#?Measurement:?2?iterations,?10?s?each
#?Timeout:?10?min?per?iteration
#?Threads:?12?threads,?will?synchronize?iterations
#?Benchmark?mode:?Throughput,?ops/time
#?Benchmark:?org.sample.jmh.LinkedListIterationBenchMark.forEachIterate

#?Run?progress:?0.00%?complete,?ETA?00:01:20
#?Fork:?1?of?1
#?Warmup?Iteration???1:?1189.267?ops/s
#?Warmup?Iteration???2:?1197.321?ops/s
Iteration???1:?1193.062?ops/s
Iteration???2:?1191.698?ops/s

Result?"org.sample.jmh.LinkedListIterationBenchMark.forEachIterate":
??1192.380?ops/s

#?JMH?version:?1.21
#?VM?version:?JDK?1.8.0_131,?Java?HotSpot(TM)?64-Bit?Server?VM,?25.131-b11
#?VM?invoker:?C:\Program?Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\bin\java.exe
#?VM?options:?-javaagent:D:\Program?Files\JetBrains\IntelliJ?IDEA?2018.2.2\lib\idea_rt.jar=65175:D:\Program?Files\JetBrains\IntelliJ?IDEA?2018.2.2\bin?-Dfile.encoding=UTF-8
#?Warmup:?2?iterations,?10?s?each
#?Measurement:?2?iterations,?10?s?each
#?Timeout:?10?min?per?iteration
#?Threads:?12?threads,?will?synchronize?iterations
#?Benchmark?mode:?Throughput,?ops/time
#?Benchmark:?org.sample.jmh.LinkedListIterationBenchMark.forIndexIterate

#?Run?progress:?50.00%?complete,?ETA?00:00:40
#?Fork:?1?of?1
#?Warmup?Iteration???1:?205.676?ops/s
#?Warmup?Iteration???2:?206.512?ops/s
Iteration???1:?206.542?ops/s
Iteration???2:?207.189?ops/s

Result?"org.sample.jmh.LinkedListIterationBenchMark.forIndexIterate":
??206.866?ops/s

#?Run?complete.?Total?time:?00:01:21

REMEMBER:?The?numbers?below?are?just?data.?To?gain?reusable?insights,?you?need?to?follow?up?on
why?the?numbers?are?the?way?they?are.?Use?profilers?(see?-prof,?-lprof),?design?factorial
experiments,?perform?baseline?and?negative?tests?that?provide?experimental?control,?make?sure
the?benchmarking?environment?is?safe?on?JVM/OS/HW?level,?ask?for?reviews?from?the?domain?experts.
Do?not?assume?the?numbers?tell?you?what?you?want?them?to?tell.

Benchmark??????????????????????????????????????Mode??Cnt?????Score???Error??Units
LinkedListIterationBenchMark.forEachIterate???thrpt????2??1192.380??????????ops/s
LinkedListIterationBenchMark.forIndexIterate??thrpt????2???206.866??????????ops/s

注解介紹

下面我們來詳細(xì)介紹一下相關(guān)的注解。

@BenchmarkMode

微基準(zhǔn)測(cè)試類型。JMH?提供了以下幾種類型進(jìn)行支持：

類型	描述
Throughput	每段時(shí)間執(zhí)行的次數(shù)，一般是秒
AverageTime	平均時(shí)間，每次操作的平均耗時(shí)
SampleTime	在測(cè)試中，隨機(jī)進(jìn)行采樣執(zhí)行的時(shí)間
SingleShotTime	在每次執(zhí)行中計(jì)算耗時(shí)
All	所有模式

可以注釋在方法級(jí)別，也可以注釋在類級(jí)別。

@BenchmarkMode(Mode.All)
public?class?LinkedListIterationBenchMark?{
?...
}
@Benchmark
@BenchmarkMode({Mode.Throughput,?Mode.SingleShotTime})
public?void?m()?{
?...
}

@Warmup

這個(gè)單詞的意思就是預(yù)熱，iterations = 3就是指預(yù)熱輪數(shù)。

@Benchmark
@BenchmarkMode({Mode.Throughput,?Mode.SingleShotTime})
@Warmup(iterations?=?3)
public?void?m()?{
?...
}

@Measurement

正式度量計(jì)算的輪數(shù)。

• iterations?進(jìn)行測(cè)試的輪次
• time?每輪進(jìn)行的時(shí)長(zhǎng)
• timeUnit時(shí)長(zhǎng)單位

@Benchmark
@BenchmarkMode({Mode.Throughput,?Mode.SingleShotTime})
@Measurement(iterations?=?3)
public?void?m()?{
?...
}

@Threads

每個(gè)進(jìn)程中的測(cè)試線程。

@Threads(Threads.MAX)
public?class?LinkedListIterationBenchMark?{
?...
}

@Fork

進(jìn)行 fork 的次數(shù)。如果 fork 數(shù)是3的話，則 JMH 會(huì) fork 出3個(gè)進(jìn)程來進(jìn)行測(cè)試。

@Benchmark
@BenchmarkMode({Mode.Throughput,?Mode.SingleShotTime})
@Fork(value?=?3)
public?void?m()?{
?...
}

@OutputTimeUnit

基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果的時(shí)間類型。一般選擇秒、毫秒、微秒。

@OutputTimeUnit(TimeUnit.SECONDS)
public?class?LinkedListIterationBenchMark?{
?...
}

@Benchmark

方法級(jí)注解，表示該方法是需要進(jìn)行 benchmark 的對(duì)象，用法和 JUnit 的?@Test?類似。

@Param

屬性級(jí)注解，@Param?可以用來指定某項(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。

@Setup

方法級(jí)注解，這個(gè)注解的作用就是我們需要在測(cè)試之前進(jìn)行一些準(zhǔn)備工作?，比如對(duì)一些數(shù)據(jù)的初始化之類的。

@TearDown

方法級(jí)注解，這個(gè)注解的作用就是我們需要在測(cè)試之后進(jìn)行一些結(jié)束工作?，比如關(guān)閉線程池，數(shù)據(jù)庫(kù)連接等的，主要用于資源的回收等。

@State

當(dāng)使用@Setup參數(shù)的時(shí)候，必須在類上加這個(gè)參數(shù)，不然會(huì)提示無法運(yùn)行。

就比如我上面的例子中，就必須設(shè)置state。

State?用于聲明某個(gè)類是一個(gè)“狀態(tài)”，然后接受一個(gè) Scope 參數(shù)用來表示該狀態(tài)的共享范圍。因?yàn)楹芏?benchmark 會(huì)需要一些表示狀態(tài)的類，JMH 允許你把這些類以依賴注入的方式注入到 benchmark 函數(shù)里。Scope 主要分為三種。

1. Thread: 該狀態(tài)為每個(gè)線程獨(dú)享。
2. Group: 該狀態(tài)為同一個(gè)組里面所有線程共享。
3. Benchmark: 該狀態(tài)在所有線程間共享。

啟動(dòng)方法

在啟動(dòng)方法中，可以直接指定上述說到的一些參數(shù)，并且能將測(cè)試結(jié)果輸出到指定文件中，

/**
?*?僅限于IDE中運(yùn)行
?*?命令行模式?則是?build?然后?java?-jar?啟動(dòng)
?*
?*?1.?這是benchmark?啟動(dòng)的入口
?*?2.?這里同時(shí)還完成了JMH測(cè)試的一些配置工作
?*?3.?默認(rèn)場(chǎng)景下，JMH會(huì)去找尋標(biāo)注了@Benchmark的方法，可以通過include和exclude兩個(gè)方法來完成包含以及排除的語義
?*/
public?static?void?main(String[]?args)?throws?RunnerException?{
????Options?opt?=?new?OptionsBuilder()
????????????//?包含語義
????????????//?可以用方法名，也可以用XXX.class.getSimpleName()
????????????.include("Helloworld")
????????????//?排除語義
????????????.exclude("Pref")
????????????//?預(yù)熱10輪
????????????.warmupIterations(10)
????????????//?代表正式計(jì)量測(cè)試做10輪，
????????????//?而每次都是先執(zhí)行完預(yù)熱再執(zhí)行正式計(jì)量，
????????????//?內(nèi)容都是調(diào)用標(biāo)注了@Benchmark的代碼。
????????????.measurementIterations(10)
????????????//??forks(3)指的是做3輪測(cè)試，
????????????//?因?yàn)橐淮螠y(cè)試無法有效的代表結(jié)果，
????????????//?所以通過3輪測(cè)試較為全面的測(cè)試，
????????????//?而每一輪都是先預(yù)熱，再正式計(jì)量。
????????????.forks(3)
?????????.output("E:/Benchmark.log")
????????????.build();

????new?Runner(opt).run();
}

結(jié)語

基于JMH可以對(duì)很多工具和框架進(jìn)行測(cè)試，比如日志框架性能對(duì)比、BeanCopy性能對(duì)比 等，更多的example可以參考官方給出的JMH samples(https://hg.openjdk.java.net/code-tools/jmh/file/tip/jmh-samples/src/main/java/org/openjdk/jmh/samples/)

來源：juejin.cn/post/6844903936869007368

——————END——————

歡迎關(guān)注“Java引導(dǎo)者”，我們分享最有價(jià)值的Java的干貨文章，助力您成為有思想的Java開發(fā)工程師！