Java性能调优杀手锏JMH

JMH简介

JMH(Java Microbenchmark Harness)由 OpenJDK/Oracle 里面那群开发了 Java编译器的大牛们所开发，是一个功能强大、灵活的工具，它可以用于检测和评估Java应用程序的性能，主要目的是测量Java应用程序的性能，尤其是在多线程环境下的性能。它使用自动生成的测试用例，来测量应用程序的性能，而不是简单的测量方法的性能。

为什么说是微基准测试工具（Micro Benchmark） 呢？

因为是使用在method 层面上，精度可以精确到微秒级。

应用场景：

1、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
2、对比一个函数不同实现在给定条件下的吞吐量（例如 List接口有ArrayList和LinkedList实现），不知道哪种实现性能更好
3、对热点函数进行进一步的优化时，可以使用 JMH 对优化的效果进行定量的分析

快速使用

依赖：

<dependency><groupId>org.openjdk.jmh</groupId><artifactId>jmh-core</artifactId><version>1.27</version></dependency><dependency><groupId>org.openjdk.jmh</groupId><artifactId>jmh-generator-annprocess</artifactId><version>1.27</version>
</dependency>

编写基准测试

测试String+ 和 StringBuilder.append() 两种字符串拼接哪个耗时更短，具体代码如下所示：

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.runner.*;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;import java.util.concurrent.TimeUnit;@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
@Warmup(iterations = 3)
@Measurement(iterations = 10, time = 5, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Threads(8)
@Fork(2)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
public class TestStringBenchmark {@Benchmarkpublic void string() {String s = "";for (int i = 0; i < 10; i++) {s += i;}}@Benchmarkpublic void stringBuilder() {StringBuilder sb = new StringBuilder();for (int i = 0; i < 10; i++) {sb.append(i);}}public static void main(String[] args) throws RunnerException {Options options = new OptionsBuilder().include(TestStringBenchmark.class.getSimpleName()).output("D:/benchmark.log").result("D:/jmh_result.json").resultFormat(ResultFormatType.JSON).build();new Runner(options).run();}}

TestStringBenchmark
# JMH version: 1.27
# VM version: JDK 1.8.0_91, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM, 25.91-b15
# VM invoker: F:\Java\jdk1.8.0_91\jre\bin\java.exe
# VM options: -Dvisualvm.id=1830274449076800 -javaagent:F:\IntelliJ IDEA 2021.1.2\lib\idea_rt.jar=54701:F:\IntelliJ IDEA 2021.1.2\bin -Dfile.encoding=UTF-8
# JMH blackhole mode: full blackhole + dont-inline hint
# Warmup: 3 iterations, 10 s each
# Measurement: 10 iterations, 5 s each
# Timeout: 10 min per iteration
# Threads: 8 threads, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Throughput, ops/time
# Benchmark: TestStringBenchmark.string# Run progress: 0.00% complete, ETA 00:05:20
# Fork: 1 of 2
# Warmup Iteration   1: 11945.156 ops/ms
# Warmup Iteration   2: 15712.330 ops/ms
# Warmup Iteration   3: 14511.393 ops/ms
Iteration   1: 14799.601 ops/ms
Iteration   2: 14200.953 ops/ms
Iteration   3: 15198.794 ops/ms
Iteration   4: 14358.358 ops/ms
Iteration   5: 14782.530 ops/ms
Iteration   6: 14986.920 ops/ms
Iteration   7: 15457.126 ops/ms
Iteration   8: 14530.070 ops/ms
Iteration   9: 14836.293 ops/ms
Iteration  10: 14289.823 ops/ms# Run progress: 25.00% complete, ETA 00:04:12
# Fork: 2 of 2
# Warmup Iteration   1: 13425.736 ops/ms
# Warmup Iteration   2: 14322.458 ops/ms
# Warmup Iteration   3: 15806.225 ops/ms
Iteration   1: 16404.253 ops/ms
Iteration   2: 16489.533 ops/ms
Iteration   3: 15394.679 ops/ms
Iteration   4: 16249.505 ops/ms
Iteration   5: 16780.925 ops/ms
Iteration   6: 16232.516 ops/ms
Iteration   7: 15428.030 ops/ms
Iteration   8: 15868.765 ops/ms
Iteration   9: 15610.369 ops/ms
Iteration  10: 15852.798 ops/msResult "TestStringBenchmark.string":15387.592 ±(99.9%) 683.453 ops/ms [Average](min, avg, max) = (14200.953, 15387.592, 16780.925), stdev = 787.065CI (99.9%): [14704.139, 16071.045] (assumes normal distribution)# JMH version: 1.27
# VM version: JDK 1.8.0_91, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM, 25.91-b15
# VM invoker: F:\Java\jdk1.8.0_91\jre\bin\java.exe
# VM options: -Dvisualvm.id=1830274449076800 -javaagent:F:\IntelliJ IDEA 2021.1.2\lib\idea_rt.jar=54701:F:\IntelliJ IDEA 2021.1.2\bin -Dfile.encoding=UTF-8
# JMH blackhole mode: full blackhole + dont-inline hint
# Warmup: 3 iterations, 10 s each
# Measurement: 10 iterations, 5 s each
# Timeout: 10 min per iteration
# Threads: 8 threads, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Throughput, ops/time
# Benchmark: TestStringBenchmark.stringBuilder# Run progress: 50.00% complete, ETA 00:02:47
# Fork: 1 of 2
# Warmup Iteration   1: 92947.764 ops/ms
# Warmup Iteration   2: 44994.076 ops/ms
# Warmup Iteration   3: 44235.632 ops/ms
Iteration   1: 34708.010 ops/ms
Iteration   2: 33766.341 ops/ms
Iteration   3: 28813.465 ops/ms
Iteration   4: 30891.785 ops/ms
Iteration   5: 38159.050 ops/ms
Iteration   6: 38445.872 ops/ms
Iteration   7: 40228.793 ops/ms
Iteration   8: 43060.997 ops/ms
Iteration   9: 40186.636 ops/ms
Iteration  10: 42147.155 ops/ms# Run progress: 75.00% complete, ETA 00:01:23
# Fork: 2 of 2
# Warmup Iteration   1: 84987.092 ops/ms
# Warmup Iteration   2: 43920.167 ops/ms
# Warmup Iteration   3: 48326.564 ops/ms
Iteration   1: 44952.072 ops/ms
Iteration   2: 46982.241 ops/ms
Iteration   3: 41305.765 ops/ms
Iteration   4: 44203.234 ops/ms
Iteration   5: 47615.004 ops/ms
Iteration   6: 45715.135 ops/ms
Iteration   7: 47256.792 ops/ms
Iteration   8: 45201.375 ops/ms
Iteration   9: 47769.656 ops/ms
Iteration  10: 48446.133 ops/msResult "TestStringBenchmark.stringBuilder":41492.776 ±(99.9%) 5059.358 ops/ms [Average](min, avg, max) = (28813.465, 41492.776, 48446.133), stdev = 5826.364CI (99.9%): [36433.418, 46552.133] (assumes normal distribution)# Run complete. Total time: 00:05:34REMEMBER: 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
TestStringBenchmark.string         thrpt   20  15387.592 ±  683.453  ops/ms
TestStringBenchmark.stringBuilder  thrpt   20  41492.776 ± 5059.358  ops/msBenchmark result is saved to D:/jmh_resultProcess finished with exit code 0

根据测试结果说明，在拼接字符次数越多的情况下，StringBuilder.append() 的性能明显更优秀。

jar 包执行

对于一些小测试，直接用上面的方式写一个 main 函数手动执行就好了。
对于大型的测试，需要测试的时间比较久、线程数比较多，加上测试的服务器需要，一般要放在 Linux 服务器里去执行。

JMH 官方提供了生成 jar 包的方式来执行。
第一步： maven 里增加一个 plugin，具体配置如下：

<plugins><plugin><groupId>org.apache.maven.plugins</groupId><artifactId>maven-shade-plugin</artifactId><version>2.4.1</version><executions><execution><phase>package</phase><goals><goal>shade</goal></goals><configuration><finalName>jmh-demo</finalName><transformers><transformerimplementation="org.apache.maven.plugins.shade.resource.ManifestResourceTransformer"><mainClass>org.openjdk.jmh.Main</mainClass></transformer></transformers></configuration></execution></executions></plugin>
</plugins>

或执行

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

第二步：执行 maven 的命令生成可执行 jar 包并执行：

mvn clean install
java -jar target/jmh-demo.jar TestStringBenchmark 

IDEA安装JMH 插件

在 IDEA 中点击 File->Settings…->Plugins

JMH插件与JUnit 有相同的使用方式，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

使用右键点击 Generate

JMH可视化

图形化网站：
将json 文件导入，就可以实现可视化。
JMH Visual Chart：

http://deepoove.com/jmh-visual-chart/

JMH Visualizer：

https://jmh.morethan.io/

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。

小结

JMH是一款强大的Java和JVM性能基准测试工具，它能够准确、灵活地测量各种Java应用程序的性能，并通过可视化界面帮助开发人员快速定位性能瓶颈。有了JMH，开发人员就能够更加精确、有效地调优Java应用程序的性能，从而提高应用程序的效率和稳定性。

参考资料

https://www.oracle.com/technical-resources/articles/java/architect-benchmarking.html
https://github.com/lexburner/JMH-samples
https://www.cnkirito.moe/java-jmh/
https://openjdk.org/projects/code-tools/jmh/

人生而自由，却无往不在枷锁之中。