JMH微基准测试框架学习笔记

一、简介

JMH（Java Microbenchmark Harness）是一个用于编写、构建和运行Java微基准测试的框架。它提供了丰富的注解和工具，用于精确控制测试的执行和结果测量，从而帮助我们深入了解代码的性能特性。

二、案例实战

1. 在你的pom文件中导入如下依赖：

        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
            <artifactId>jmh-core</artifactId>
            <version>1.21</version>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>
            <artifactId>jmh-generator-annprocess</artifactId>
            <version>1.21</version>
        </dependency>
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要使用JMH进行微基准测试，你需要在项目的构建系统（如Maven或Gradle）中引入JMH的依赖。

2. 便携示例代码

下面是一个简单的JMH测试示例，用于比较直接访问数组元素和通过方法访问数组元素的性能差异。

package cn.pottercoding.jmh;

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author Mr.Sun
 * @since 2024年03月20日
 *
 * 一个简单的JMH测试示例，用于比较直接访问数组元素和通过方法访问数组元素的性能差异。
 */
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@Warmup(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Measurement(iterations = 10, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@State(Scope.Thread)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
public class ArrayAccessBenchmark {

    // 数组大小
    private static final int ARRAY_SIZE = 10000;

    // 初始化数组
    private int[] array = new int[ARRAY_SIZE];

    // 初始化方法，用于填充数组
    @Setup
    public void setup() {
        for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {
            array[i] = i;
        }
    }

    // 直接访问数组元素
    @Benchmark
    public int directAccess() {
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {
            sum += array[i];
        }
        return sum;
    }

    // 通过方法访问数组元素
    @Benchmark
    public int methodAccess() {
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {
            sum += getElement(i);
        }
        return sum;
    }

    // 获取数组元素的方法
    private int getElement(int index) {
        return array[index];
    }

    // 主方法，用于运行基准测试
    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(ArrayAccessBenchmark.class.getSimpleName())
                .build();

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

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接下来让我们一起看下上面示例代码中用到的每个JMH注解的含义：

1. @BenchmarkMode
   这个注解用于指定基准测试的模式。Mode.AverageTime表示测量的是每次操作的平均执行时间。JMH提供了多种模式，如Throughput（吞吐量，即每秒完成的操作数）和SampleTime（采样时间）等。

2. @Warmup 和 @Measurement
@Warmup：用于指定预热阶段的相关设置。预热阶段用于让JVM的JIT编译器有时间优化测试代码，并使得缓存、垃圾回收等达到稳定状态。iterations指定预热迭代的次数，time和timeUnit分别指定预热阶段的总时间和时间单位。
   @Measurement：用于指定实际测量阶段的相关设置。这些设置类似于预热阶段，但它们是用于收集基准测试结果的。

3. @State
   这个注解用于定义测试状态。Scope.Thread表示每个测试线程都有自己的测试状态实例。这样可以避免多线程之间的状态共享问题。其他可能的范围还包括Scope.Benchmark（所有线程共享同一个状态实例）和Scope.Group（每个测试组共享一个状态实例）。

4. @OutputTimeUnit
   这个注解用于指定输出结果的时间单位。在这个例子中，TimeUnit.NANOSECONDS表示输出的时间将以纳秒为单位。

5. @Setup
   这个注解用于标记在每次基准测试方法运行之前应该执行的方法。它通常用于初始化测试所需的数据或状态。在这个例子中，setup()方法用于填充数组。

6. @Benchmark
   这个注解用于标记一个基准测试方法。JMH会运行这个方法多次，并收集相关的性能数据。在这个例子中，directAccess()和methodAccess()都是基准测试方法，它们分别测试直接访问数组元素和通过方法访问数组元素的性能。

7. @Param
   虽然这个注解在上面的示例代码中并没有使用，但它是一个常见的JMH注解，用于参数化基准测试。通过在测试类中的字段上使用@Param注解，并指定不同的值，你可以为同一个基准测试方法创建多个不同的测试场景。

执行结果如下：

代码执行结果分析：

1. directAccess() 方法
   这个方法直接通过数组索引访问数组元素，并计算它们的和。由于它直接操作数组的内存位置，因此通常是最快的访问方式。在大多数情况下，directAccess() 方法应该会获得较低的平均执行时间。

2. methodAccess() 方法
   这个方法通过调用 getElement() 方法来访问数组元素。虽然getElement()方法内部也是直接访问数组，但是方法调用的开销（如参数传递、栈帧创建等）通常会比直接访问要高一些。因此，methodAccess() 方法的平均执行时间很可能会比 directAccess() 方法稍长。

3. 结果比较
   JMH会运行每个基准测试方法多次，并收集每次运行的执行时间。然后，它会计算这些时间的平均值、标准差等统计信息，并将它们输出到控制台或文件中。