在现代软件开发中，性能一直是一个关键的话题。在开发过程中，我们通常会将关注点放在优化特定功能或算法上，但是应该怎样量化这些优化呢？这就需要基准测试了。然而，在大多数情况下，使用简单的计时器进行基准测试是不够的，这时就需要Java微基准测试库（Java Microbenchmark Harness，简称JMH）。
JMH是一个用于进行Java微基准测试的库，由OpenJDK团队开发并维护。它允许开发人员在控制变量的情况下进行精细的测量并生成详细的测试结果。JMH可以轻松度量方法执行时间、内存分配和gc性能等指标。在本文中，我们将介绍如何使用JMH对Java代码进行微基准测试。
使用JMH的步骤
在这里，我们将使用Maven搭建一个基本的Java项目，并将JMH添加到项目依赖中。然后，我们将创建一个使用JMH的简单基准测试。
步骤1：创建一个Maven项目
我们将在这里创建一个新的Maven项目。要创建Maven项目，需要安装Maven。使用以下命令检查Maven是否正确安装：
```
mvn -version
```
这应该显示出Maven的版本号。
接下来，使用以下命令创建一个Maven项目：
```
mvn archetype:generate \
-DgroupId=com.example \
-DartifactId=jmh-demo \
-DarchetypeArtifactId=maven-archetype-quickstart \
-DinteractiveMode=false
```
项目创建完成后，进入项目目录，并用编辑器打开pom.xml文件添加jmh依赖：
```xml
```
步骤2：编写一个基准测试
在此步骤中，我们将编写一个简单的基准测试来演示JMH的基本用法。我们将创建一个名为BenchMarkTest的测试类，并为其添加一些用于测试的方法。
首先，添加一个用于测试的方法：
```java
public class BenchMarkTest {
@Benchmark
public void testMethod() {
// 要测试的方法内容
}
}
```
使用`@Benchmark`将该方法标记为基准测试方法。该方法将作为基准测试的的运行单位，并帮助您衡量和记录代码的性能。
然后，我们将打开控制台，执行以下命令：
```
mvn clean install
```
此时，Maven将使用jmh-maven-plugin找到基准测试，并为其生成代码。生成的文件将放置在target/generated-sources/annotations目录中。
接下来，我们将创建一个名为“MyBenchmark”的类。这个类将包含我们想要运行的基准代码，并将配置基准测试运行的选项。
```java
public class MyBenchmark {
@Benchmark
public void testMethod() {
// 要测试的方法内容
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
Options opt = new OptionsBuilder()
.include(MyBenchmark.class.getSimpleName())
.forks(1)
.build();
new Runner(opt).run();
}
}
```
在这里，我们使用OptionsBuilder创建一个Options对象。OptionsBuilder提供了一种方便的方式来构建Options，可以根据需要添加各种选项。简单地说，这样做的目的是告诉JMH需要运行哪个基准测试以及如何进行配置。
include()方法指定了要运行的基准测试类的名称；forks()方法指定了要执行的测试的数量，这里我们只运行一次测试。
现在，我们可以使用以下命令运行基准测试：
```
java -cp target/classes:target/generated-sources/annotations benchmark.MyBenchmark
```
此命令告诉JMH在target/classes和target/generated-sources/annotations目录中查找MyBenchmark类，然后运行基准测试。
结果将在控制台上输出。输出结果中包含了运行测试所花费的时间、吞吐量等信息。
JMH的高级功能
JMH可以进行更高级的基准测试。这些功能将帮助您更好地了解代码的性能和在不同场景下的表现。下面是一些JMH提供的高级功能。
1. 测量CPU的缓存行和分支预测
在Java中，缓存和分支预测对于代码性能有着显著的影响。JMH可以帮助我们测量这些因素。可以通过@State注解提供的状态对象简单地完成。
```java
@State(Scope.Thread)
public class MyStateObject {
double x;
@Setup(Level.Trial)
public void setUp() {
x = new Random().nextDouble();
}
}
```
在这里，我们在MyStateObject中添加了一个随机双精度浮点数。@State注解使用枚举值Scope.Thread将MyStateObject绑定到测试线程，而@Setup(Level.Trial)注解指定了初始化MyStateObject的方法。
然后，我们就可以添加一个测量缓存行的测试方法：
```java
public class CacheBenchmarkTest {
@Benchmark
public double testCache(MyStateObject s) {
return s.x;
}
}
```
在这里，我们使用@Benchmark将testCache方法标记为基准测试方法，@Benchmark还带有一个参数用于将MyStateObject实例传递给该方法，从而捕获缓存行的效果。
测量分支预测也类似。您可以创建一个新方法并使用多个if语句，以此获取一些虚拟的分支：
```java
public class BranchBenchmarkTest {
@Benchmark
public double testBranch(MyStateObject s) {
if (s.x > 0.5) {
return 1;
} else {
return 0;
}
}
}
```
在这里，我们将s.x比较大小，如果大于0.5，则返回1，否则返回0。
2. 测量周期
JMH还支持强制CPU在测量期间遵守一些特殊规则，例如禁止在测量期间执行核心外的程序。要运行这种基准测试，可以使用OptionsBuilder添加如下选项：
```
shouldDoGC(true)
shouldDoGC(false)
```
指定在测量期间是否执行garbage collection（GC）。在这种情况下，我们需要禁止GC，以便准确测量CPU周期。
```java
public class CPUCycleBenchmarkTest {
private static final int ARRAY_SIZE = 128 * 1024;
private static final int ITERATION_SIZE = 500;
private static final Random R = new Random();
private final int[] arr = new int[ARRAY_SIZE];
private int sum = 0;
@Setup
public void setup() {
for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {
arr[i] = R.nextInt();
}
}
@Benchmark
@Fork(1)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@State(Scope.Thread)
public void timeMethod() {
for (int i = 0; i < ITERATION_SIZE; i++) {
for (int j = 0; j < ARRAY_SIZE; j++) {
if (arr[j] >= 0) {
sum += arr[j];
}
}
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
Options opt = new OptionsBuilder()
.include(CPUCycleBenchmarkTest.class.getSimpleName())
.warmupIterations(2)
.measurementIterations(2)
.mode(Mode.AverageTime)
.shouldDoGC(false)
.forks(1)
.build();
new Runner(opt).run();
}
}
```
在这个基准测试中，我们使用累加器将数组中所有正数加起来。那么如何测量CPU周期呢？这里使用@BenchmarkMode注解和@OutputTimeUnit注解在方法上指定使用平均执行时间（Mode.AverageTime）和输出纳秒（TimeUnit.NANOSECONDS）。另外，@Setup注解表示在基准测试开始之前初始化数组，shouldDoGC(false)与之前讲到的一样，指定在测量期间禁止GC。
这样，我们就可以使用以下命令运行基准测试：
```
java -cp target/classes:target/generated-sources/annotations benchmark.CPUCycleBenchmarkTest
```
3. 使用多个线程进行测试
在实际使用中，多线程环境下的性能也是重要的。在JMH中，您可以轻松自如地进行多线程测试。Scope.Benchmark状态可以平稳地移动到多个线程上。
```java
@State(Scope.Benchmark)
public class MultiThreadBenchmarkTest {
private AtomicInteger counter;
@Setup
public void setup() {
counter = new AtomicInteger();
}
@Benchmark
@Threads(2)
public void increment2() {
counter.incrementAndGet();
}
@Benchmark
@Threads(4)
public void increment4() {
counter.incrementAndGet();
}
}
```
在这里，@State注解使用枚举值Scope.Benchmark将MultiThreadBenchmarkTest与多个线程绑定。设置属性@Threads来定义多少线程在基准测试时运行。接着，我们可以运行以下命令：
```
java -cp target/classes:target/generated-sources/annotations benchmark.MultiThreadBenchmarkTest
```
总结
在本文中，我们介绍了如何使用JMH来测量Java代码的性能。JMH是一个强大的工具，可以精确地测量不同用例的各种指标。我们看到了JMH的一些高级功能，包括测量缓存和分支预测，以及禁用GC。此外，我们还演示了如何在多个线程中运行基准测试，并且可以通过自定义选项修改JMH执行的基准测试。JMH提供了一个简单而强大的方式来进行微基准测试，并使您可以轻松地可视化Java代码性能。
QQ客服专员
电话客服专员