JMH|JMH 使用指南 JMH使用指南

简介 JMH(Java Microbenchmark Harness)是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。该工具是由 Oracle 内部实现 JIT 的大牛们编写的，他们应该比任何人都了解 JIT 以及 JVM 对于基准测试的影响。JMH不止能对Java语言做基准测试，还能对运行在JVM上的其他语言做基准测试。
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 比较典型的应用场景如下：

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
对比接口不同实现在给定条件下的吞吐量
查看多少百分比的请求在多长时间内完成

下面我们以字符串拼接的两种方法为例子使用 JMH 做基准测试。
快速入门添加依赖
JMH 是 JDK9 自带的，如果是 JDK9 之前的版本需要加入如下依赖（目前 JMH 的最新版本为 1.23）：

org.openjdk.jmh jmh-core 1.23 org.openjdk.jmh jmh-generator-annprocess 1.23

编写测试代码
接下来，创建一个 JMH 测试类，用来判断 + 和 StringBuilder.append() 两种字符串拼接哪个耗时更短，具体代码如下所示：

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime) @Warmup(iterations = 3, time = 1) @Measurement(iterations = 5, time = 5) @Threads(4) @Fork(1) @State(value = https://www.it610.com/article/Scope.Benchmark) @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS) public class StringConnectTest {@Param(value = {"10", "50", "100"}) private int length; @Benchmark public void testStringAdd(Blackhole blackhole) { String a = ""; for (int i = 0; i < length; i++) { a += i; } blackhole.consume(a); }@Benchmark public void testStringBuilderAdd(Blackhole blackhole) { StringBuilder sb = new StringBuilder(); for (int i = 0; i < length; i++) { sb.append(i); } blackhole.consume(sb.toString()); }public static void main(String[] args) throws RunnerException { Options opt = new OptionsBuilder() .include(StringConnectTest.class.getSimpleName()) .result("result.json") .resultFormat(ResultFormatType.JSON).build(); new Runner(opt).run(); } }

其中需要测试的方法用 @Benchmark 注解标识，这些注解的具体含义将在下面介绍。
在 main() 函数中，首先对测试用例进行配置，使用 Builder 模式配置测试，将配置参数存入 Options 对象，并使用 Options 对象构造 Runner 启动测试。
另外大家可以看下官方提供的 jmh 示例 demo：http://hg.openjdk.java.net/code-tools/jmh/file/tip/jmh-samples/src/main/java/org/openjdk/jmh/samples/
使用Main方法执行测试
准备工作做好了，接下来，运行代码，等待片刻，测试结果就出来了，下面对结果做下简单说明：

# JMH version: 1.23 # VM version: JDK 1.8.0_201, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM, 25.201-b09 # VM invoker: D:\Software\Java\jdk1.8.0_201\jre\bin\java.exe # VM options: -javaagent:D:\Software\JetBrains\IntelliJ IDEA 2019.1.3\lib\idea_rt.jar=61018:D:\Software\JetBrains\IntelliJ IDEA 2019.1.3\bin -Dfile.encoding=UTF-8 # Warmup: 3 iterations, 1 s each # Measurement: 5 iterations, 5 s each # Timeout: 10 min per iteration # Threads: 4 threads, will synchronize iterations # Benchmark mode: Average time, time/op # Benchmark: com.wupx.jmh.StringConnectTest.testStringBuilderAdd # Parameters: (length = 100)

该部分为测试的基本信息，比如使用的 Java 路径，预热代码的迭代次数，测量代码的迭代次数，使用的线程数量，测试的统计单位等。

# Warmup Iteration1: 1083.569 ±(99.9%) 393.884 ns/op # Warmup Iteration2: 864.685 ±(99.9%) 174.120 ns/op # Warmup Iteration3: 798.310 ±(99.9%) 121.161 ns/op

该部分为每一次热身中的性能指标，预热测试不会作为最终的统计结果。预热的目的是让 JVM 对被测代码进行足够多的优化，比如，在预热后，被测代码应该得到了充分的 JIT 编译和优化。

Iteration1: 810.667 ±(99.9%) 51.505 ns/op Iteration2: 807.861 ±(99.9%) 13.163 ns/op Iteration3: 851.421 ±(99.9%) 33.564 ns/op Iteration4: 805.675 ±(99.9%) 33.038 ns/op Iteration5: 821.020 ±(99.9%) 66.943 ns/opResult "com.wupx.jmh.StringConnectTest.testStringBuilderAdd": 819.329 ±(99.9%) 72.698 ns/op [Average] (min, avg, max) = (805.675, 819.329, 851.421), stdev = 18.879 CI (99.9%): [746.631, 892.027] (assumes normal distribution)Benchmark(length)ModeCntScoreErrorUnits StringConnectTest.testStringBuilderAdd100avgt5819.329 ±72.698ns/op

该部分显示测量迭代的情况，每一次迭代都显示了当前的执行速率，即一个操作所花费的时间。在进行 5 次迭代后，进行统计，在本例中，length 为 100 的情况下 testStringBuilderAdd 方法的平均执行花费时间为 819.329 ns，误差为 72.698 ns。
最后的测试结果如下所示：

Benchmark(length)ModeCntScoreErrorUnits StringConnectTest.testStringAdd10avgt5161.496 ±17.097ns/op StringConnectTest.testStringAdd50avgt51854.657 ± 227.902ns/op StringConnectTest.testStringAdd100avgt56490.062 ± 327.626ns/op StringConnectTest.testStringBuilderAdd10avgt568.769 ±4.460ns/op StringConnectTest.testStringBuilderAdd50avgt5413.021 ±30.950ns/op StringConnectTest.testStringBuilderAdd100avgt5819.329 ±72.698ns/op

结果表明，在拼接字符次数越多的情况下，StringBuilder.append() 的性能就更好。
使用IDEA插件执行测试
大家还可以通过 IDEA 安装 JMH 插件使 JMH 更容易实现基准测试，在 IDEA 中点击 File->Settings...->Plugins，然后搜索 jmh，选择安装 JMH plugin：

文章图片

这个插件可以让我们能够以 JUnit 相同的方式使用 JMH，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

比如可以通过右键点击 Generate...，选择操作 Generate JMH benchmark 就可以生成一个带有 @Benchmark 的方法。
还有将光标移动到方法声明并调用 Run 操作就运行一个单独的 Benchmark 方法。
将光标移到类名所在行，右键点击 Run 运行，该类下的所有被 @Benchmark 注解的方法都会被执行。
打成Jar包进行测试
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，我们需要在 maven 里增加一个 plugin，具体配置如下：

org.apache.maven.plugins maven-shade-plugin 2.4.1 package shade jmh-demo org.openjdk.jmh.Main

接着执行 maven 的命令生成可执行 jar 包并执行：

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

JMH 基础为了能够更好地使用 JMH 的各项功能，下面对 JMH 的基本概念进行讲解：
@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。
在介绍完常用的注解后，让我们来看下 JMH 有哪些陷阱。
JMH 陷阱在使用 JMH 的过程中，一定要避免一些陷阱。
比如 JIT 优化中的死码消除，比如以下代码：

@Benchmark public void testStringAdd(Blackhole blackhole) { String a = ""; for (int i = 0; i < length; i++) { a += i; } }

JVM 可能会认为变量 a 从来没有使用过，从而进行优化把整个方法内部代码移除掉，这就会影响测试结果。
JMH 提供了两种方式避免这种问题，一种是将这个变量作为方法返回值 return a，一种是通过 Blackhole 的 consume 来避免 JIT 的优化消除。
其他陷阱还有常量折叠与常量传播、永远不要在测试中写循环、使用 Fork 隔离多个测试方法、方法内联、伪共享与缓存行、分支预测、多线程测试等，感兴趣的可以阅读 https://github.com/lexburner/JMH-samples 了解全部的陷阱。
JMH 可视化除此以外，如果你想将测试结果以图表的形式可视化，可以试下这些网站：