Java性能优化-掌握JMH
1.3.1 使用JMH
通过手工编写一个性能压测程序有较多的问题
不同需要性能比较方法放到一个虚拟机里调用，有可能会互相影响。最好的办法是分成俩个独立的进程运行，确保俩个对比方法不相互影响。
PerformaceAreaTest启动后直接运行， 缺少预热代过程。虚拟机在执行代码过程中，会加载类，解释执行，以及有可能的优化编译。需要确保虚拟机进行了一定预热运行，以保证测试的公平性，我们在运行PerformaceAreaTest2的时候，能看到第一次循环执行时间总是较长。可以参考第8章了解JIT
为了避免环境影响造成的对结果统计不准，我们需要运行多次，取出平均成绩
需要从多个纬度统计方法的性能，统计冷启动需要消耗的时间，统计OPS，TP99的功能。
JMH使用OPS来表示吞吐量，OPS，Opeartion Per Second，是衡量性能的重要指标，指得是每秒操作量。数值越大，性能越好。类似的概念还有TPS，表示每秒的事务完成量，QPS，每秒的查询量。 如果对每次执行时间进行升序排序，取出总数的99%的最大执行时间作为TP99的值，TP99通常是衡量系统性能重要指标，他表示99%的请求的响应时间不超过某个值。比TP99更严格的事TP999，要求99.9%的请求不超过某个值
有什么工具能帮助我们统计性能优化后的效果，比如更方便的统计OPS，TP99等。同时，我们为了做调优，不必每次都自己写一个测试程序
JMH，即Java Microbenchmark Harness，是专门用于代码微基准测试的工具套件。主要是基于方法层面的基准测试，精度可以达到纳秒级。当你定位到热点方法，希望进一步优化方法性能的时候，就可以使用JMH对优化的结果进行量化的分析。
JMH 实现了JSR269规范，即注解处理器，能在编译Java源码的时候，识别的到需要处理的注解，如@Beanmark，JMH能根据@Beanmark的配置生成一系列测试辅助类。关于JSR269，本书11章详细介绍. 流行开源Lombok 基于JSR269规范
开始是使用JMH，可以在工程里添加对JMH的依赖，添加如下
org.openjdk.jmh jmh-core ${jmh.version} org.openjdk.jmh jmh-generator-annprocess ${jmh.version} provided${jmh.version} 为jmh最新版本，为1.0
我们编写一个JMH测试类
@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
@Warmup(iterations = 3)
@Measurement(iterations = 3, time = 5, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Threads(1)
@Fork(1)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.SECONDS)
public class MyBenchmark {
@Benchmark
public static void testStringKey(){
//优化前的代码
}
@Benchmark
public static void testObjectKey(){
//要测试的优化后代码
}
public static void main(String[] args) throws RunnerException {
Options opt = new OptionsBuilder()
.include(MyBenchmark.class.getSimpleName())
.build();
new Runner(opt).run();
}
}
MyBenchmark 有俩个需要比较的方法，都用 @Benchmark注解标识，MyBenchmark用了一系列注解，解释如下
BenchmarkMode，使用模式，默认是Mode.Throughput，表示吞吐量,其他参数还有AverageTime，表示每次执行时间，SampleTime表示采样时间，SingleShotTime表示只运行一次，用于测试冷启动消耗时间，All表示统计前面的所有指标
Warmup 配置预热次数，默认是每次运行1秒，运行10次，我们的例子是运行3次
Measurement 配置执行次数，本例是一次运行5秒，总共运行3次。在性能对比时候，采用默认1秒即可，如果我们用jvisualvm做性能监控，我们可以指定一个较长时间运行。
Threads 配置同时起多少个线程执行，默认值世 Runtime.getRuntime().availableProcessors()，本例启动1个线程同时执行
Fork，代表启动多个单独的进程分别测试每个方法，我们这里指定为每个方法启动一个进程。
OutputTimeUnit 统计结果的时间单元，这个例子TimeUnit.SECONDS，我们在运行后会看到输出结果是统计每秒的吞吐量
我们在MyBenchmark添加需要的测试方法，如下
static AreaService areaService = new AreaService();
static PreferAreaService perferAreaService = new PreferAreaService();
static List data = buildData(20);
@Benchmark
public static void testStringKey(){
areaService.buildArea(data);
}
@Benchmark
public static void testObjectKey(){
perferAreaService.buildArea(data);
}
private static List buildData(int count){
List list = new ArrayList<>(count);
for(int i=0;i
list.add(area);
}
return list;
}
因为MyBenchmark包含了一个main方法，我们可以直接在IDE里直接运行这个方法，有如下输出
Warmup: 3 iterations, 1 s each
Measurement: 3 iterations, 5 s each
Threads: 1 threads, will synchronize iterations
Benchmark mode: Throughput, ops/time
以上输出来自于我们的配置，第一行表示预热3次，每次执行1秒，第二行表示运行3次，每次运行5秒，这部分的运行结果计入统计。第三行表示1个线程执行，第四行统计性能数据纬度是Throughput，吞吐量
紧接着会运行testObjectKey方法，有如下输出
Benchmark: com.ibeetl.code.ch01.test.MyBenchmark.testObjectKey
Run progress: 0.00% complete, ETA 00:00:36
Fork: 1 of 1
objc[68658]: Class JavaLaunchHelper is implemented in both /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_45.jdk/Contents/Home/jre/bin/java and /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_45.jdk/Contents/Home/jre/lib/libinstrument.dylib. One of the two will be used. Which one is undefined.
Warmup Iteration 1: 1288302.671 ops/s
Warmup Iteration 2: 3061587.202 ops/s
Warmup Iteration 3: 1094970.828 ops/s
Iteration 1: 2491836.097 ops/s
Iteration 2: 2780362.118 ops/s
Iteration 3: 3621313.883 ops/s
这里的Fork表示子进程，我们只配置里一个，因此只有一个进程的执行结果，该进程包含预热3次，每次1秒，以及运行3次，每次运行5秒，执行完testObjectKey方法后，会自动打印一个汇总信息
Result: 939996.216 ±(99.9%) 2012646.237 ops/s [Average]
Statistics: (min, avg, max) = (813154.364, 939996.216, 1013607.616), stdev = 110319.932
Confidence interval (99.9%): [-1072650.021, 2952642.453]
统计结果给出了多次测试后的最小值，最大值和均值，以及标准差 (stdev),置信区间(Confidence interval)
标准差（stdev）反映了数值相对于平均值得离散程度，置信区间是指由样本统计量所构造的总体参数的估计区间。在统计学中，一个概率样本的置信区间（Confidence interval）是对这个样本的某个总体参数的区间估计
testStringKey的输出与上面类似，这俩个比较方法执行完毕，会自动打印出一个性能对比数据表格
Benchmark Mode Samples Score Score error Units
c.i.c.c.t.MyBenchmark.testObjectKey thrpt 3 1976766.072 408421.217 ops/s
c.i.c.c.t.MyBenchmark.testStringKey thrpt 3 423788.869 222139.136 ops/s
Benchmark列表示这次测试对比的方法，Mode列表上结果的统计纬度，Samples列表示采样次数，Samples=Fork*Iteration。Score是对这次评测的打分，对于testObjectKey，意味着他的OPS为每秒1976766，大约4倍testStringKey方法
Score Error 这里表示性能统计上的误差，我们不需要关心这个数据，主要查看Score
可以修改统计纬度，比如修改为Mode.SampleTime，时间按照纳秒统计
@BenchmarkMode(Mode.SampleTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
…
public class MyBenchmark {}
可以看到有一组如下统计
p( 0.0000) = 1992.000 ns/op
p(50.0000) = 2084.000 ns/op
p(90.0000) = 2464.000 ns/op
p(95.0000) = 3472.000 ns/op
p(99.0000) = 4272.000 ns/op
p(99.9000) = 17481.920 ns/op
p(99.9900) = 80659.840 ns/op
p(99.9990) = 562593.690 ns/op
p(99.9999) = 745472.000 ns/op
可以看到90%的调用，是在2464纳秒内完成，99%的调用都是在4272纳秒完成的.
1.3.2 JMH常用设置
在这个例子，我们性能测试所依赖的对象areaService，perferAreaService 恰好是线程安全的，大多数时候性能测试方法都会引用一些外部实例对象，考虑到多线程测试访问这些实例对象，JMH要求必须为这些变量申明是Thread 内生效，还是整个BeanMark使用。如果是前者，JMH会为每个线程构建一个新的实例，后者则所有测试都共享这个变量，JMH用@State注解来说明对象的生命周期，@State注解作用在类上，比如，在MyBenchmark例子里，我们可以改成如下例子
@State(Scope.Benchmark)
public static class SharedPara{
AreaService areaService = new AreaService();
PreferAreaService perferAreaService = new PreferAreaService();
List data = buildData(20);
private List buildData(int count){
//忽略其他代码
}
}
@Benchmark
public void testStringKey(SharedPara para){
para.areaService.buildArea(para.data);
}
@Benchmark
public void testObjectKey(SharedPara para){
para.perferAreaService.buildArea(para.data);
}
必须申明一公共静态内部类，该类包含了我们需要使用的实例对象，并在该类用@State注解表明这个对象是Thread的还是BeanchMark范围内使用。在这个例子里，因为配置为Scope.Benchmark，JMH在整个性能测试过程中，只构造一个SharedPara实例，SharedPara 作为参数传入每个待测试的方法。
也可以不使用内部类，直接使用申明性能测试的类，在类上使用@State注解
@State(Scope.Benchmark)
public class MyBenchmarkStateSimple {
AreaService areaService = new AreaService();
PreferAreaService perferAreaService = new PreferAreaService();
List data = buildData(20);
//忽略其他代码
}
@Setup 和 @TearDown 是一对注解，作用于方法上，前者用于测试前的初始化工作，后者用于回收某些资源，比如压测前需要准备一些数据
@State(Scope.Benchmark)
public class ScriptEngineBeanchmrk {
String script = null;
@Benchmark
public void nashornTest(){
// … 测试方法
}
@Setup
public void loadScriptFromFile(){
//加载一个测试脚本
}
}
@Level 用于控制 @Setup，@TearDown 的调用时机，有如下含义
Level.Tiral: 运行每个性能测试的时候执行，推荐的方式。
Level.Iteration, 每次迭代的时候执行
Level.Invocation,每次调用方法的时候执行，这个选项需要谨慎使用。
JMH提供了Runner类能运行Benchmark类
public static void main(String[] args) throws RunnerException {
Options opt = new OptionsBuilder()
.include(MyBenchmark.class.getSimpleName())
.build();
new Runner(opt).run();
}
include接受一个字符串表达式，表示需要测试的类和方法，如上例子测试所有方法MyBenchmark。如下例子则只测试方法名字包含“testObjectKey“的方法
include(MyBenchmark.class.getSimpleName()+".testObjectKey")
OptionsBuilder包含了多个方法用于配置性能测试，可以指定循环次数，预热次数等，如下例子会用4个子进程做性能测试，每个进程预热一次，执行5次迭代
public static void main(String[] args) throws RunnerException {
Options opt = new OptionsBuilder()
.include(MyBenchmark.class.getSimpleName())
.forks(4)
.warmupIterations(1)
.measurementIterations(5)
.build();
new Runner(opt).run();
}
截至到目前为止，JMH都是通过一个main方法在IDE里执行，更为通常情况，JMH推荐使用单独的一个Maven工程来执行性能测试而不要放到业务工程里。可以通过maven archetype:generate 命令来生成一个心得JMH Maven工程。
mvn archetype:generate
-DinteractiveMode=false
-DarchetypeGroupId=org.openjdk.jmh
-DarchetypeArtifactId=jmh-java-benchmark-archetype
-DgroupId=code.ibeetl.com
-DartifactId=first-benchmark
-Dversion=1.0
为了阅读方便，分成几行，如上命令行应该放到一行执行，执行完毕后，生成了一个maven工程，maven工程仅仅包含了一个 MyBenchmark 例子。
package org.sample;
import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;
public class MyBenchmark {
@Benchmark
public void testMethod() {
// place your benchmarked code here
}
}
我们可以修改MyBenchmark，添加我们需要测试的代码， 现在，可以创建一个性能测试的jar文件，通过运行如下maven命令
mvn clean install
命令会在target目录下生成一个benchmarks.jar，包含了运行性能测试所需的任何东西，在命令行运行如下命令
java -jar target/benchmarks.jar MyBenchmark
JMH将会被启动，默认情况下运行MyBenchmark类里的所有被@Benchmark标注方法
有些性能测试需要了解不同输入参数的性能，比如对于模板引擎的性能测试中，考虑到字节流输出和字符流输出
@Param({“1”,“2”,“3”})
int outputType;
@Benchmark
public String benchmark() throws TemplateException, IOException {
if(outputType3){
return doStream();
}else if(outputType2) {
return doCharStream()
}else{
return doString();
}
}
JMH会分别赋值outpuType为1，2，3后，在各自测试一次，会输出如下
Benchmark (outputType) Score Units
Beetl.benchmark 1 44977.421 ops/s
Beetl.benchmark 2 34931.724 ops/s
Beetl.benchmark 3 59175.106 ops/s
1.3.3 注意事项
编写JHM代码，需要考虑到虚拟机的优化，而使得测试失真，如下measureWrong代码就是所谓的Dead-Code代码
@State(Scope.Thread)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
public class JMHSample_08_DeadCode {
private double x = Math.PI;
@Benchmark
public void baseline() {
//基准
}
@Benchmark
public void measureWrong() {
//虚拟机会优化掉这部分，性能同baseline
Math.log(x);
}
@Benchmark
public double measureRight() {
// 真正的性能测试
return Math.log(x);
}
}
测试结果如下
Benchmark Mode Score Units
c.i.c.c.c.i.c.c.j.JMHSample_08_DeadCode.baseline avgt 0.358 ns/op
c.i.c.c.c.i.c.c.j.JMHSample_08_DeadCode.measureRight avgt 24.605 ns/op
c.i.c.c.c.i.c.c.j.JMHSample_08_DeadCode.measureWrong avgt 0.366 ns/op
在测试measureWrong方法，JIT能推测出方法体可以被优化调而不影响系统，measureRight因为定义了返回值，JIT不会优化。
下一个是关于常量折叠，JIT认为方法计算结果为常量，从而优化直接返回常量给调用者
private double x = Math.PI;
private final double wrongX = Math.PI;
@Benchmark
public double baseline() {
// 基准测试
return Math.PI;
}
@Benchmark
public double measureWrong_1() {
// JIT认为是个常量
return Math.log(Math.PI);
}
@Benchmark
public double measureWrong_2() {
// JIT认为方法调用结果是个常量.
return Math.log(wrongX);
}
@Benchmark
public double measureRight() {
// 正确的测试
return Math.log(x);
}
如下是测试结果
Benchmark Mode Score Units
c.i.c.c.c.i.c.c.j.JMHSample_10_ConstantFold.baseline avgt 1.175 ns/op
c.i.c.c.c.i.c.c.j.JMHSample_10_ConstantFold.measureRight avgt 25.805 ns/op
c.i.c.c.c.i.c.c.j.JMHSample_10_ConstantFold.measureWrong_1 avgt 1.116 ns/op
c.i.c.c.c.i.c.c.j.JMHSample_10_ConstantFold.measureWrong_2 avgt 1.031 ns/op
考虑到inline对性能影响很大，JMH支持 @CompilerControl来控制是否允许内联
public class Inline {
int x=0,y=0;
@Benchmark
@CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)
public int add(){
return dataAdd(x,y);
}
@Benchmark
public int addInline(){
return dataAdd(x,y);
}
private int dataAdd(int x,int y){
return x+y;
}
@Setup
public void init() {
x = 1;
y = 2;
}
}
add和addInline方法都会调用dataAdd方法，前者使用CompilerControl类，可以用在方法或者类上，来提供编译选项
DONT_INLINE，调用方法不内联
INLINE，调用方法内联
BREAK，插入一个调试断点(TODO,如何调试，参考11章)
PRINT，打印方法被JIT编译后的机器码信息
开发人员可能觉得上面的测试，add方法太简单，会习惯性的在add方法里方一个循环，以减少JMH调用add方法的成本。JMH不建议这么做，因为JIT会实际上对这种循环会做优化，以消除循环调用成本。如下是个例子可以看到循环测试结果不准确
int x = 1;
int y = 2;
/** 正确测试
*/
@Benchmark
public int measureRight() {
return (x + y);
}
private int reps(int reps) {
int s = 0;
for (int i = 0; i < reps; i++) {
s += (x + y);
}
return s;
}
@Benchmark
@OperationsPerInvocation(1)
public int measureWrong_1() {
return reps(1);
}
@Benchmark
@OperationsPerInvocation(10)
public int measureWrong_10() {
return reps(10);
}
@Benchmark
@OperationsPerInvocation(100)
public int measureWrong_100() {
return reps(100);
}
@Benchmark
@OperationsPerInvocation(1000)
public int measureWrong_1000() {
return reps(1000);
}
注解OperationsPerInvocation 告诉JMH统计性能的时候需要做修正，比如@OperationsPerInvocation(10)调用了10次。
性能测试结果如下
编写性能测试的一个好习惯是先编写一个单元测试用例，以确保性能测试准确性，x Benchmark Mode Score Units c.i.c.c.c.i.c.c.j.JMHSample_11_Loops.measureRight avgt 1.114 ns/op c.i.c.c.c.i.c.c.j.JMHSample_11_oops.measureWrong_1 avgt 1.057 ns/op c.i.c.c.c.i.c.c.j.JMHSample_11_Loops.measureWrong_10 avgt 0.139 ns/op c.i.c.c.c.i.c.c.j.JMHSample_11_Loops.measureWrong_100 avgt 0.018 ns/op c.i.c.c.c.i.c.c.j.JMHSample_11_Loops.measureWrong_1000 avgt 0.035 ns/op java
可以看到，测试方法里使用循环，会促使JIT进行优化，做循环消除(参考第8章JIT TODO)
1.3.4 单元测试
无论是编写JMH，或者其他性能测试程序，好习惯是先编写一个单元测试用例，以确保性能测试方法的准确性，对于1.3.4的Inline类，可以先编写一个单元测试用例，确保add和addInline返回正确结果
public class InLineTestJunit {
@Test
public void test(){
Inline inline = new Inline();
inline.init();
//期望结果
int expectd = inline.x+inline.y;
int ret = inline.add();
int ret2 = inline.addInline();
Assert.assertEquals(expectd,ret);
Assert.assertEquals(expectd,ret2);
}
}
在JMH工程调用maven install 生成测试代码的时候，会进行单元测试，从而保证测试结果的准确
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