Java 并发编程笔记:JMH 性能测试框架

概述

JMH 是一个由 OpenJDK/Oracle 里面那群开发了 Java 编译器的大牛们所开发的 Micro Benchmark Framework 。何谓 Micro Benchmark 呢?简单地说就是在 method 层面上的 benchmark,精度可以精确到微秒级。可以看出 JMH 主要使用在当你已经找出了热点函数,而需要对热点函数进行进一步的优化时,就可以使用 JMH 对优化的效果进行定量的分析。

比较典型的使用场景还有:

  • 想定量地知道某个函数需要执行多长时间,以及执行时间和输入 n 的相关性
  • 一个函数有两种不同实现(例如实现 A 使用了 FixedThreadPool,实现 B 使用了 ForkJoinPool),不知道哪种实现性能更好

尽管 JMH 是一个相当不错的 Micro Benchmark Framework,但很无奈的是网上能够找到的文档比较少,而官方也没有提供比较详细的文档,对使用造成了一定的障碍。但是有个好消息是官方的 Code Sample 写得非常浅显易懂,推荐在需要详细了解 JMH 的用法时可以通读一遍——本文则会介绍 JMH 最典型的用法和部分常用选项。

第一个例子

如果你使用 maven 来管理你的 Java 项目的话,引入 JMH 是一件很简单的事情——只需要在 pom.xml 里增加 JMH 的依赖即可

<properties>
    <jmh.version>1.14.1</jmh.version>
</properties>

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
        <artifactId>jmh-core</artifactId>
        <version>${jmh.version}</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
        <artifactId>jmh-generator-annprocess</artifactId>
        <version>${jmh.version}</version>
        <scope>provided</scope>
    </dependency>
</dependencies>

接下来再创建我们的第一个 Benchmark

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MICROSECONDS)
@State(Scope.Thread)
public class FirstBenchmark {

    @Benchmark
    public int sleepAWhile() {
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            // ignore
        }
        return 0;
    }

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

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

有不少你可能是第一次见到的注解,不过不着急,接下来会解释这些注解的意义。我们先来跑一下这个 benchmark 吧 :)

# JMH 1.14.1 (released 39 days ago)
# VM version: JDK 1.8.0_11, VM 25.11-b03
# VM invoker: /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_11.jdk/Contents/Home/jre/bin/java
# VM options: -Didea.launcher.port=7535 -Didea.launcher.bin.path=/Applications/IntelliJ IDEA 15 CE.app/Contents/bin -Dfile.encoding=UTF-8
# Warmup: 5 iterations, 1 s each
# Measurement: 5 iterations, 1 s each
# Timeout: 10 min per iteration
# Threads: 1 thread, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Average time, time/op
# Benchmark: com.dyng.FirstBenchmark.sleepAWhile

# Run progress: 0.00% complete, ETA 00:00:10
# Fork: 1 of 1
# Warmup Iteration   1: 503.440 ms/op
# Warmup Iteration   2: 503.885 ms/op
# Warmup Iteration   3: 503.714 ms/op
# Warmup Iteration   4: 504.333 ms/op
# Warmup Iteration   5: 502.596 ms/op
Iteration   1: 504.352 ms/op
Iteration   2: 502.583 ms/op
Iteration   3: 501.256 ms/op
Iteration   4: 501.655 ms/op
Iteration   5: 504.212 ms/op

Result "sleepAWhile":
  502.811 ±(99.9%) 5.495 ms/op [Average]
  (min, avg, max) = (501.256, 502.811, 504.352), stdev = 1.427
  CI (99.9%): [497.316, 508.306] (assumes normal distribution)

# Run complete. Total time: 00:00:12

Benchmark                   Mode  Cnt    Score   Error  Units
FirstBenchmark.sleepAWhile  avgt    5  502.811 ± 5.495  ms/op

sleepAWhile() 的测试结果显示执行时间平均约为502毫秒。因为我们的测试对象 sleepAWhile() 正好就是睡眠500毫秒,所以 JMH 显示的结果可以说很符合我们的预期。

那好,现在我们再来详细地解释代码的意义。不过在这之前,需要先了解一下 JMH 的几个基本概念。

基本概念

Mode

Mode 表示 JMH 进行 Benchmark 时所使用的模式。通常是测量的维度不同,或是测量的方式不同。目前 JMH 共有四种模式:

  • Throughput: 整体吞吐量,例如“1秒内可以执行多少次调用”。
  • AverageTime: 调用的平均时间,例如“每次调用平均耗时xxx毫秒”。
  • SampleTime: 随机取样,最后输出取样结果的分布,例如“99%的调用在xxx毫秒以内,99.99%的调用在xxx毫秒以内”
  • SingleShotTime: 以上模式都是默认一次 iteration 是 1s,唯有 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。

Iteration

Iteration 是 JMH 进行测试的最小单位。在大部分模式下,一次 iteration 代表的是一秒,JMH 会在这一秒内不断调用需要 benchmark 的方法,然后根据模式对其采样,计算吞吐量,计算平均执行时间等。

Warmup

Warmup 是指在实际进行 benchmark 前先进行预热的行为。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 会尝试将其编译成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。

注解

现在来解释一下上面例子中使用到的注解,其实很多注解的意义完全可以望文生义 :)

@Benchmark

表示该方法是需要进行 benchmark 的对象,用法和 JUnit 的 @Test 类似。

@Mode

Mode 如之前所说,表示 JMH 进行 Benchmark 时所使用的模式。

@State

State 用于声明某个类是一个“状态”,然后接受一个 Scope 参数用来表示该状态的共享范围。因为很多 benchmark 会需要一些表示状态的类,JMH 允许你把这些类以依赖注入的方式注入到 benchmark 函数里。Scope 主要分为两种。

  • Thread: 该状态为每个线程独享。
  • Benchmark: 该状态在所有线程间共享。

关于State的用法,官方的 code sample 里有比较好的例子

@OutputTimeUnit

benchmark 结果所使用的时间单位。

启动选项

解释完了注解,再来看看 JMH 在启动前设置的参数。

Options opt = new OptionsBuilder()
        .include(FirstBenchmark.class.getSimpleName())
        .forks(1)
        .warmupIterations(5)
        .measurementIterations(5)
        .build();

new Runner(opt).run();

include

benchmark 所在的类的名字,注意这里是使用正则表达式对所有类进行匹配的。

fork

进行 fork 的次数。如果 fork 数是2的话,则 JMH 会 fork 出两个进程来进行测试。

warmupIterations

预热的迭代次数。

measurementIterations

实际测量的迭代次数。

第二个例子

在看过第一个完全只为示范的例子之后,再来看一个有实际意义的例子。

问题:

计算 1 ~ n 之和,比较串行算法和并行算法的效率,看 n 在大约多少时并行算法开始超越串行算法

首先定义一个表示这两种实现的接口

public interface Calculator {
    /**
     * calculate sum of an integer array
     * @param numbers
     * @return
     */
    public long sum(int[] numbers);

    /**
     * shutdown pool or reclaim any related resources
     */
    public void shutdown();
}

由于这两种算法的实现不是这篇文章的重点,而且本身并不困难,所以实际代码就不赘述了。如果真的感兴趣的话,可以看最后的附录。以下仅说明一下我所指的串行算法和并行算法的含义。

  • 串行算法:使用 for-loop 来计算 n 个正整数之和。
  • 并行算法:将所需要计算的 n 个正整数分成 m 份,交给 m 个线程分别计算出和以后,再把它们的结果相加。

进行 benchmark 的代码如下

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MICROSECONDS)
@State(Scope.Benchmark)
public class SecondBenchmark {
    @Param({"10000", "100000", "1000000"})
    private int length;

    private int[] numbers;
    private Calculator singleThreadCalc;
    private Calculator multiThreadCalc;

    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(SecondBenchmark.class.getSimpleName())
                .forks(2)
                .warmupIterations(5)
                .measurementIterations(5)
                .build();

        new Runner(opt).run();
    }

    @Benchmark
    public long singleThreadBench() {
        return singleThreadCalc.sum(numbers);
    }

    @Benchmark
    public long multiThreadBench() {
        return multiThreadCalc.sum(numbers);
    }

    @Setup
    public void prepare() {
        numbers = IntStream.rangeClosed(1, length).toArray();
        singleThreadCalc = new SinglethreadCalculator();
        multiThreadCalc = new MultithreadCalculator(Runtime.getRuntime().availableProcessors());
    }

    @TearDown
    public void shutdown() {
        singleThreadCalc.shutdown();
        multiThreadCalc.shutdown();
    }
}

注意到这里用到了3个之前没有使用的注解。

@Param

@Param 可以用来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。

@Setup

@Setup 会在执行 benchmark 之前被执行,正如其名,主要用于初始化。

@TearDown

@TearDown@Setup 相对的,会在所有 benchmark 执行结束以后执行,主要用于资源的回收等。

最后来猜猜看实际结果如何?并行算法在哪个问题集下能够超越串行算法?

我在自己的 mac 上跑下来的结果,总数在10000时并行算法不如串行算法,总数达到100000时并行算法开始和串行算法接近,总数达到1000000时并行算法所耗时间约是串行算法的一半左右。

常用选项

还有一些 JMH 的常用选项没有提及的,简单地在此介绍一下

CompilerControl

控制 compiler 的行为,例如强制 inline,不允许编译等。

Group

可以把多个 benchmark 定义为同一个 group,则它们会被同时执行,主要用于测试多个相互之间存在影响的方法。

Level

用于控制 @Setup@TearDown 的调用时机,默认是 Level.Trial,即benchmark开始前和结束后。

Profiler

JMH 支持一些 profiler,可以显示等待时间和运行时间比,热点函数等。

延伸阅读

IDE插件

IntelliJ 有 JMH 的插件,提供 benchmark 方法的自动生成等便利功能。

JMH 教程

Jenkov 的 JMH 教程,相比于这篇文章介绍得更为详细,非常推荐。顺便 Jenkov 的其他 Java 教程也非常值得一看。

附录

代码清单

public class SinglethreadCalculator implements Calculator {
    public long sum(int[] numbers) {
        long total = 0L;
        for (int i : numbers) {
            total += i;
        }
        return total;
    }

    @Override
    public void shutdown() {
        // nothing to do
    }
}

public class MultithreadCalculator implements Calculator {
    private final int nThreads;
    private final ExecutorService pool;

    public MultithreadCalculator(int nThreads) {
        this.nThreads = nThreads;
        this.pool = Executors.newFixedThreadPool(nThreads);
    }

    private class SumTask implements Callable<Long> {
        private int[] numbers;
        private int from;
        private int to;

        public SumTask(int[] numbers, int from, int to) {
            this.numbers = numbers;
            this.from = from;
            this.to = to;
        }

        public Long call() throws Exception {
            long total = 0L;
            for (int i = from; i < to; i++) {
                total += numbers[i];
            }
            return total;
        }
    }

    public long sum(int[] numbers) {
        int chunk = numbers.length / nThreads;

        int from, to;
        List<SumTask> tasks = new ArrayList<SumTask>();
        for (int i = 1; i <= nThreads; i++) {
            if (i == nThreads) {
                from = (i - 1) * chunk;
                to = numbers.length;
            } else {
                from = (i - 1) * chunk;
                to = i * chunk;
            }
            tasks.add(new SumTask(numbers, from, to));
        }

        try {
            List<Future<Long>> futures = pool.invokeAll(tasks);

            long total = 0L;
            for (Future<Long> future : futures) {
                total += future.get();
            }
            return total;
        } catch (Exception e) {
            // ignore
            return 0;
        }
    }

    @Override
    public void shutdown() {
        pool.shutdown();
    }
}
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