Java-基准测试

在软件开发中，性能优化是一个永恒的话题。为了确保代码在生产环境中运行得尽可能快，开发者需要一种准确的方法来度量和比较不同代码片段的性能。Java Microbenchmark Harness（JMH）是一个专门为Java和其他基于JVM的语言设计的工具，它允许开发者以高精度执行微基准测试。

1.JMH简介

JMH是一个用于编写可靠Java微基准测试的工具。它可以帮助开发者量化代码片段的执行时间，这对于理解代码性能至关重要。通过JMH，开发者可以比较不同算法或代码实现的性能，从而做出基于数据的优化决策。

JMH的设计考虑了基准测试中的各种陷阱，如JVM的热点优化、死码消除和垃圾收集暂停。它提供了一组注解和工具类，使得编写、配置和运行基准测试变得简单而直观。

2.JMH核心特性

1. 注解驱动：JMH使用注解来标记基准测试方法和配置测试参数。这些注解提供了丰富的配置选项，如测试模式（吞吐量、平均时间等）、预热迭代次数、测量迭代次数等。
2. 隔离测试：为了确保测试结果的可重复性，JMH会在单独的JVM进程中运行每个基准测试。这样可以避免测试之间的干扰，并确保每个测试都在相同的初始条件下运行。
3. 预热和迭代：JMH允许开发者指定预热迭代次数，以使得JVM的热点优化在测量阶段之前生效。此外，通过多次迭代测试，JMH可以计算统计上显著的结果，减少偶然误差。
4. 结果统计：JMH会自动收集和分析测试结果，提供有关吞吐量、平均执行时间等的详细信息。这些信息对于理解代码性能瓶颈和优化方向非常有价值。

三、使用JMH进行基准测试

使用JMH进行基准测试涉及几个步骤：添加依赖、编写基准测试类、配置测试选项和运行测试。

1. 添加JMH依赖

<dependencies>  
  <dependency>  
    <groupId>org.openjdk.jmhgroupId>  
    <artifactId>jmh-coreartifactId>  
    <version>1.33version> 
  dependency>  
  <dependency>  
    <groupId>org.openjdk.jmhgroupId>  
    <artifactId>jmh-generator-annprocessartifactId>  
    <version>1.33version> 
    <scope>providedscope>  
  dependency>  
dependencies>

2. 编写基准测试类

创建一个Java类，并使用JMH提供的注解来标记基准测试方法。例如，使用@Benchmark注解来标记要进行性能测量的方法，使用@BenchmarkMode来指定测试模式（如Throughput表示吞吐量，AverageTime表示平均时间），以及使用@OutputTimeUnit来指定输出结果的时间单位。

import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;  
import org.openjdk.jmh.annotations.BenchmarkMode;  
import org.openjdk.jmh.annotations.Mode;  
import org.openjdk.jmh.annotations.OutputTimeUnit;  
import java.util.concurrent.TimeUnit;  

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)  
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)  
public class MyBenchmark {  

    @Benchmark  
    public void measure() {  
        // 这里放置你想要基准测试的代码  
    }  
}

3. 运行基准测试

<build>  
  <plugins>  
    <plugin>  
      <groupId>org.apache.maven.pluginsgroupId>  
      <artifactId>maven-surefire-pluginartifactId>  
      <version>2.22.2version>  
      <configuration>  
        <skipTests>trueskipTests>   
      configuration>  
    plugin>  
    <plugin>  
      <groupId>org.openjdk.jmhgroupId>  
      <artifactId>jmh-maven-pluginartifactId>  
      <version>1.33version>   
      <executions>  
        <execution>  
          <id>run-benchmarksid>  
          <phase>integrate-testphase>  
          <goals>  
            <goal>rungoal>  
          goals>  
        execution>  
      executions>  
    plugin>  
  plugins>  
build>

然后，你可以通过Maven命令来运行基准测试：

mvn clean integrate-test

通过JMH命令行工具运行：

mvn clean package  
java -jar target/benchmarks.jar

3.JMH注解

1. Benchmark：

• 这是一个方法注解，用于声明该方法是一个基准测试方法。
• 被此注解标记的方法将被JMH用于重复执行，以便进行性能测量。

2. State：

• 这是一个类注解，用于声明该类是一个“状态”类。
• 状态类定义了基准测试的状态，可以包含测试所需的实例变量。
• 它有一个Scope参数，用于指定状态实例的生命周期和共享范围。

3. Scope枚举值：

• Scope.Thread：每个测试线程分配一个状态实例。
• Scope.Benchmark：所有测试线程共享一个状态实例。
• Scope.Group：每个线程组共享一个状态实例。

4. Setup ：

• 这是一个方法注解，用于指定在基准测试方法执行之前运行的初始化方法。
• 通常用于准备测试数据或初始化状态。

5. TearDown ：

• 这是一个方法注解，用于指定在基准测试方法执行之后运行的清理方法。
• 通常用于释放资源或进行后处理。

6. Param ：

• 这是一个字段注解，用于指定基准测试的参数。
• 可以为基准测试方法提供不同的输入值，以便测试在不同条件下的性能。

7. OutputTimeUnit ：

• 这是一个类或方法注解，用于指定基准测试结果的时间单位。
• 它使用java.util.concurrent.TimeUnit中的标准时间单位。

8. BenchmarkMode ：

• 这是一个类或方法注解，用于指定基准测试的模式。
• Mode枚举值包括：Throughput（吞吐量），AverageTime（平均时间），SampleTime（随机采样时间），SingleShotTime（单次执行时间），All（所有模式）。

9. Warmup ：

• 这是一个类或方法注解，用于配置预热迭代的次数。
• 预热迭代用于使JVM的热点代码优化达到稳定状态，以获得更准确的基准测试结果。

10. Measurement ：

• 这是一个类或方法注解，用于配置实际测量迭代的次数。
• 这些迭代将用于收集性能数据。

11. Fork ：

• 这是一个类注解，用于指定基准测试的进程分叉次数。
• 每个分叉将在单独的进程中运行基准测试，以减少噪声和干扰。

12. Threads ：

• 这是一个方法注解，用于指定执行基准测试的线程数。
• 它允许模拟多线程环境下的性能。

13. Group ：

• 这是一个类和方法注解，用于将多个基准测试方法组合成一个测试组。
• 测试组内的方法将按照指定的顺序执行，并且共享相同的状态实例（当使用Scope.Group时）。

4.简单的基准测试

比较两种字符串拼接方法的性能：使用+操作符和使用StringBuilder。

import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;  
import org.openjdk.jmh.annotations.BenchmarkMode;  
import org.openjdk.jmh.annotations.Mode;  
import org.openjdk.jmh.annotations.OutputTimeUnit;  
import org.openjdk.jmh.annotations.Scope;  
import org.openjdk.jmh.annotations.State;  
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;  
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;  
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;  

import java.util.concurrent.TimeUnit;  

@State(Scope.Thread)  
public class StringConcatBenchmark {  

    private static final String A = "Hello, ";  
    private static final String B = "World!";  

    @Benchmark  
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)  
    @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)  
    public String stringConcatPlus() {  
        return A + B;  
    }  

    @Benchmark  
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)  
    @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)  
    public String stringConcatStringBuilder() {  
        StringBuilder sb = new StringBuilder();  
        sb.append(A);  
        sb.append(B);  
        return sb.toString();  
    }  

    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        Options opt = new OptionsBuilder()  
        .include(StringConcatBenchmark.class.getSimpleName())  
        .warmupIterations(5)  
        .measurementIterations(10)  
        .forks(1)  
        .build();  

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

这个例子中，我们定义了一个StringConcatBenchmark类，其中包含两个基准测试方法：stringConcatPlus和stringConcatStringBuilder。我们使用@State(Scope.Thread)注解来指定每个测试线程有其独立的状态实例。
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)和@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)注解分别指定我们想要测量的是平均时间，并且输出结果的时间单位为纳秒。main方法中，我们配置了基准测试的运行选项，并通过Runner类来执行基准测试。

5.参数化基准测试

import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;  
import org.openjdk.jmh.annotations.BenchmarkMode;  
import org.openjdk.jmh.annotations.Mode;  
import org.openjdk.jmh.annotations.OutputTimeUnit;  
import org.openjdk.jmh.annotations.Param;  
import org.openjdk.jmh.annotations.Scope;  
import org.openjdk.jmh.annotations.Setup;  
import org.openjdk.jmh.annotations.State;  
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;  
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;  
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;  
  
import java.util.Arrays;  
import java.util.Random;  
import java.util.concurrent.TimeUnit;  
  
@State(Scope.Thread)  
public class ArraySortBenchmark {  
  
    @Param({"100", "1000", "10000"})  
    private int arraySize;  
  
    private Integer[] array;  
  
    @Setup  
    public void setup() {  
        array = new Integer[arraySize];  
        Random rand = new Random();  
        for (int i = 0; i < arraySize; i++) {  
            array[i] = rand.nextInt();  
        }  
    }  
  
    @Benchmark  
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)  
    @OutputTimeUnit(TimeUnit.MICROSECONDS)  
    public void sortArrayTimSort() {  
        Arrays.sort(array);  
    }  
  
    @Benchmark  
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)  
    @OutputTimeUnit(TimeUnit.MICROSECONDS)  
    public void sortArrayJava8ParallelSort() {  
        Arrays.parallelSort(array);  
    }  
  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        Options opt = new OptionsBuilder()  
                .include(ArraySortBenchmark.class.getSimpleName())  
                .warmupIterations(5)  
                .measurementIterations(5)  
                .forks(1)  
                .build();  
  
        new Runner(opt).run();  
    }  
}

在这个例子中，我们使用@Param注解来定义了一个参数arraySize，它将在基准测试中取不同的值（100、1000、10000）。@Setup注解用于在执行基准测试之前进行一些初始化工作，在本例中是生成一个随机数组。
我们定义了两个基准测试方法：sortArrayTimSort使用Arrays.sort进行排序，而sortArrayJava8ParallelSort使用Arrays.parallelSort进行排序。我们将测量这两种方法对不同大小数组的平均排序时间。
main方法中，我们配置了基准测试的运行选项，并通过Runner类来执行基准测试。执行结果将包括每个数组大小和每种排序方法的平均执行时间。

6.结论

JMH是一个强大而灵活的工具，用于在Java和其他基于JVM的语言中进行微基准测试。通过掌握JMH的核心特性和最佳实践，开发者可以准确地度量和比较代码的性能，从而做出明智的优化决策。在性能关键的场景中，使用JMH进行基准测试是确保代码高效运行的关键步骤。