深入拆解 Java 虚拟机

今天我们来聊聊性能基准测试（benchmarking）。

大家或许都看到过一些不严谨的性能测试，以及基于这些测试结果得出的令人匪夷所思的结论。

static int foo() {
  int i = 0;
  while (i < 1_000_000_000) {
    i++;
  }
  return i;
}

举个例子，上面这段代码中的foo方法，将进行10^9次加法操作及跳转操作。

不少开发人员，包括我在介绍反射调用那一篇中所做的性能测试，都使用了下面这段代码的测量方式，即通过System.nanoTime或者System.currentTimeMillis来测量每若干个操作（如连续调用1000次foo方法）所花费的时间。

public class LoopPerformanceTest {
  static int foo() { ... }

  public static void main(String[] args) {
    // warmup
    for (int i = 0; i < 20_000; i++) {
      foo();
    }
    // measurement
    long current = System.nanoTime();
    for (int i = 1; i <= 10_000; i++) {
      foo();
      if (i % 1000 == 0) {
        long temp = System.nanoTime();
        System.out.println(temp - current);
        current = System.nanoTime();
      }
    }
  }
}

这种测量方式实际上过于理性化，忽略了Java虚拟机、操作系统，乃至硬件系统所带来的影响。

# 性能测试的坑

关于Java虚拟机所带来的影响，我们在前面的篇章中已经介绍过不少，如Java虚拟机堆空间的自适配，即时编译等。

在上面这段代码中，真正进行测试的代码（即// measurement后的代码）由于循环次数不多，属于冷循环，没有能触发OSR编译。

也就是说，我们会在main方法中解释执行，然后调用foo方法即时编译生成的机器码中。这种混杂了解释执行以及即时编译生成代码的测量方式，其得到的数据含义不明。

有同学认为，我们可以假设foo方法耗时较长（毕竟10^9次加法），因此main方法的解释执行并不会对最终计算得出的性能数据造成太大影响。上面这段代码在我的机器上测出的结果是，每1000次foo方法调用在20微秒左右。

这是否意味着，我这台机器的CPU已经远超它的物理限制，其频率达到100,000,000 GHz了。（假设循环主体就两条指令，每时钟周期指令数[1]为1。）这显然是不可能的，目前CPU单核的频率大概在2-5 GHz左右，再怎么超频也不可能提升七八个数量级。

你应该能够猜到，这和即时编译器的循环优化有关。下面便是foo方法的编译结果。我们可以看到，它将直接返回10^9，而不是循环10^9次，并在循环中重复进行加法。

0x8aa0: sub    rsp,0x18                 // 创建方法栈桢
0x8aa7: mov    QWORD PTR [rsp+0x10],rbp // 无关指令
0x8aac: mov    eax,0x3b9aca00           // return 10^9
0x8ab1: add    rsp,0x10                 // 弹出方法栈桢
0x8ab5: pop    rbp                      // 无关指令
0x8ab6: mov    r10,QWORD PTR [r15+0x70] // 安全点测试
0x8aba: test   DWORD PTR [r10],eax      // 安全点测试
0x8abd: ret

之前我忘记解释所谓的”无关指令“是什么意思。我指的是该指令和具体的代码逻辑无关。即时编译器生成的代码可能会将RBP寄存器作为通用寄存器，从而是寄存器分配算法有更多的选择。由于调用者（caller）未必保存了RBP寄存器的值，所以即时编译器会在进入被调用者（callee）时保存RBP的值，并在退出被调用者时复原RBP的值。

static int foo() {
  int i = 0;
  while (i < 1_000_000_000) {
    i++;
  }
  return i;
}
// 优化为
static int foo() {
  return 1_000_000_000;
}

该循环优化并非循环展开。在默认情况下，即时编译器仅能将循环展开60次（对应虚拟机参数-XX:LoopUnrollLimit）。实际上，在介绍循环优化那篇文章中，我并没有提及这个优化。因为该优化实在是太过于简单，几乎所有开发人员都能够手工对其进行优化。

在即时编译器中，它是一个基于计数循环的优化。我们也已经学过计数循环的知识。也就是说，只要将循环变量i改为long类型，便可以“避免”这个优化。

关于操作系统和硬件系统所带来的影响，一个较为常见的例子便是电源管理策略。在许多机器，特别是笔记本上，操作系统会动态配置CPU的频率。而CPU的频率又直接影响到性能测试的数据，因此短时间的性能测试得出的数据未必可靠。

例如我的笔记本，在刚开始进行性能评测时，单核频率可以达到 4.0 GHz。而后由于CPU温度升高，频率便被限制在3.0 GHz了。

除了电源管理之外，CPU缓存、分支预测器[2]，以及超线程技术[3]，都会对测试结果造成影响。

就CPU缓存而言，如果程序的数据本地性较好，那么它的性能指标便会非常好；如果程序存在false sharing的问题，即几个线程写入内存中属于同一缓存行的不同部分，那么它的性能指标便会非常糟糕。

超线程技术是另一个可能误导性能测试工具的因素。我们知道，超线程技术将为每个物理核心虚拟出两个虚拟核心，从而尽可能地提高物理核心的利用率。如果性能测试的两个线程被安排在同一物理核心上，那么得到的测试数据显然要比被安排在不同物理核心上的数据糟糕得多。

总而言之，性能基准测试存在着许多深坑（pitfall）。然而，除了性能测试专家外，大多数开发人员都没有足够全面的知识，能够绕开这些坑，因而得出的性能测试数据很有可能是有偏差的（biased）。

下面我将介绍OpenJDK中的开源项目 JMH[4]（Java Microbenchmark Harness）。JMH是一个面向Java语言或者其他Java虚拟机语言的性能基准测试框架。它针对的是纳秒级别（出自官网介绍，个人觉得精确度没那么高）、微秒级别、毫秒级别，以及秒级别的性能测试。

由于许多即时编译器的开发人员参与了该项目，因此JMH内置了许多功能来控制即时编译器的优化。对于其他影响性能评测的因素，JMH也提供了不少策略来降低影响，甚至是彻底解决。

因此，使用这个性能基准测试框架的开发人员，可以将精力完全集中在所要测试的业务逻辑，并以最小的代价控制除了业务逻辑之外的可能影响性能的因素。

REMEMBER: 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.

不过，JMH也不能完美解决性能测试数据的偏差问题。它甚至会在每次运行的输出结果中打印上述语句，所以，JMH的开发人员也给出了一个小忠告：我们开发人员不要轻信JMH的性能测试数据，不要基于这些数据乱下结论。

通常来说，性能基准测试的结果反映的是所测试的业务逻辑在所运行的Java虚拟机，操作系统，硬件系统这一组合上的性能指标，而根据这些性能指标得出的通用结论则需要经过严格论证。

在理解（或忽略）了JMH的忠告后，我们下面便来看看如何使用JMH。

# 生成JMH项目

JMH的使用方式并不复杂。我们可以借助JMH部署在maven上的archetype，生成预设好依赖关系的maven项目模板。具体的命令如下所示：

$ mvn archetype:generate \
          -DinteractiveMode=false \
          -DarchetypeGroupId=org.openjdk.jmh \
          -DarchetypeArtifactId=jmh-java-benchmark-archetype \
          -DgroupId=org.sample \
          -DartifactId=test \
          -Dversion=1.21
$ cd test

该命令将在当前目录下生成一个test文件夹（对应参数-DartifactId=test，可更改），其中便包含了定义该maven项目依赖的pom.xml文件，以及自动生成的测试文件src/main/org/sample/MyBenchmark.java（这里org/sample对应参数-DgroupId=org.sample，可更改）。后者的内容如下所示：

/*
 * Copyright ...
 */
package org.sample;

import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;

public class MyBenchmark {

    @Benchmark
    public void testMethod() {
        // This is a demo/sample template for building your JMH benchmarks. Edit as needed.
        // Put your benchmark code here.
    }

}

这里面，类名MyBenchmark以及方法名testMethod并不重要，你可以随意更改。真正重要的是@Benchmark注解。被它标注的方法，便是JMH基准测试的测试方法。该测试方法默认是空的。我们可以填入需要进行性能测试的业务逻辑。

举个例子，我们可以测量新建异常对象的性能，如下述代码所示：

@Benchmark
public void testMethod() {
  new Exception();
}

通常来说，我们不应该使用这种貌似会被即时编译器优化掉的代码（在下篇中我会介绍JMH的Blackhole功能）。

不过，我们已经学习过逃逸分析了，知道native方法调用的调用者或者参数会被识别为逃逸。而Exception的构造器将间接调用至native方法fillInStackTrace中，并且该方法调用的调用者便是新建的Exception对象。因此，逃逸分析将判定该新建对象逃逸，而即时编译器也无法优化掉原本的新建对象操作。

当Exception的构造器返回时，Java虚拟机将不再拥有指向这一新建对象的引用。因此，该新建对象可以被垃圾回收。

# 编译和运行JMH项目

在上一篇介绍注解处理器时，我曾提到过，JMH正是利用注解处理器[5]来自动生成性能测试的代码。实际上，除了@Benchmark之外，JMH的注解处理器还将处理所有位于org.openjdk.jmh.annotations包[6]下的注解。（其他注解我们会在下一篇中详细介绍。）

我们可以运行mvn compile命令来编译这个maven项目。该命令将生成target文件夹，其中的generated-sources目录便存放着由JMH的注解处理器所生成的Java源代码：

$ mvn compile
$ ls target/generated-sources/annotations/org/sample/generated/
MyBenchmark_jmhType.java            MyBenchmark_jmhType_B1.java         MyBenchmark_jmhType_B2.java         MyBenchmark_jmhType_B3.java         MyBenchmark_testMethod_jmhTest.java

在这些源代码里，所有以MyBenchmark_jmhType为前缀的Java类都继承自MyBenchmark。这是注解处理器的常见用法，即通过生成子类来将注解所带来的额外语义扩张成方法。

具体来说，它们之间的继承关系是MyBenchmark_jmhType -> B3 -> B2 -> B1 -> MyBenchmark（这里A -> B代表A继承B）。其中，B2存放着JMH用来控制基准测试的各项字段。

为了避免这些控制字段对MyBenchmark类中的字段造成false sharing的影响，JMH生成了B1和B3，分别存放了256个boolean字段，从而避免B2中的字段与MyBenchmark类、MyBenchmark_jmhType类中的字段（或内存里下一个对象中的字段）会出现在同一缓存行中。

之所以不能在同一类中安排这些字段，是因为Java虚拟机的字段重排列。而类之间的继承关系，便可以避免不同类所包含的字段之间的重排列。

除了这些jmhType源代码外，generated-sources目录还存放着真正的性能测试代码MyBenchmark_testMethod_jmhTest.java。当进行性能测试时，Java虚拟机所运行的代码很有可能便是这一个源文件中的热循环经过OSR编译过后的代码。

在通过CompileCommand分析即时编译后的机器码时，我们需要关注的其实是MyBenchmark_testMethod_jmhTest中的方法。

由于这里面的内容过于复杂，我将在下一篇中介绍影响该生成代码的众多功能性注解，这里就不再详细进行介绍了。

接下来，我们可以运行mvn package命令，将编译好的class文件打包成jar包。生成的jar包同样位于target目录下，其名字为benchmarks.jar。jar包里附带了一系列配置文件，如下所示：

$ mvn package

$ jar tf target/benchmarks.jar META-INF
META-INF/MANIFEST.MF
META-INF/
META-INF/BenchmarkList
META-INF/CompilerHints
META-INF/maven/
META-INF/maven/org.sample/
META-INF/maven/org.sample/test/
META-INF/maven/org.sample/test/pom.xml
META-INF/maven/org.sample/test/pom.properties
META-INF/maven/org.openjdk.jmh/
META-INF/maven/org.openjdk.jmh/jmh-core/
META-INF/maven/org.openjdk.jmh/jmh-core/pom.xml
META-INF/maven/org.openjdk.jmh/jmh-core/pom.properties
META-INF/maven/net.sf.jopt-simple/
META-INF/maven/net.sf.jopt-simple/jopt-simple/
META-INF/maven/net.sf.jopt-simple/jopt-simple/pom.xml
META-INF/maven/net.sf.jopt-simple/jopt-simple/pom.properties
META-INF/LICENSE.txt
META-INF/NOTICE.txt
META-INF/maven/org.apache.commons/
META-INF/maven/org.apache.commons/commons-math3/
META-INF/maven/org.apache.commons/commons-math3/pom.xml
META-INF/maven/org.apache.commons/commons-math3/pom.properties

$ unzip -c target/benchmarks.jar META-INF/MANIFEST.MF
Archive:  target/benchmarks.jar
  inflating: META-INF/MANIFEST.MF    
Manifest-Version: 1.0
Archiver-Version: Plexus Archiver
Created-By: Apache Maven 3.5.4
Built-By: zhengy
Build-Jdk: 10.0.2
Main-Class: org.openjdk.jmh.Main

$ unzip -c target/benchmarks.jar META-INF/BenchmarkList
Archive:  target/benchmarks.jar
  inflating: META-INF/BenchmarkList  
JMH S 22 org.sample.MyBenchmark S 51 org.sample.generated.MyBenchmark_testMethod_jmhTest S 10 testMethod S 10 Throughput E A 1 1 1 E E E E E E E E E E E E E E E E E

$ unzip -c target/benchmarks.jar META-INF/CompilerHints
Archive:  target/benchmarks.jar
  inflating: META-INF/CompilerHints  
dontinline,*.*_all_jmhStub
dontinline,*.*_avgt_jmhStub
dontinline,*.*_sample_jmhStub
dontinline,*.*_ss_jmhStub
dontinline,*.*_thrpt_jmhStub
inline,org/sample/MyBenchmark.testMethod

这里我展示了其中三个比较重要的配置文件。

  1. MANIFEST.MF中指定了该jar包的默认入口，即org.openjdk.jmh.Main[7]。

  2. BenchmarkList中存放了测试配置。该配置是根据MyBenchmark.java里的注解自动生成的，具体我会在下一篇中详细介绍源代码中如何配置。

  3. CompilerHints中存放了传递给Java虚拟机的-XX:CompileCommandFile参数的内容。它规定了无法内联以及必须内联的几个方法，其中便有存放业务逻辑的测试方法testMethod。

在编译MyBenchmark_testMethod_jmhTest类中的测试方法时，JMH会让即时编译器强制内联对MyBenchmark.testMethod的方法调用，以避免调用开销。

打包生成的jar包可以直接运行。具体指令如下所示：

$ java -jar target/benchmarks.jar
WARNING: An illegal reflective access operation has occurred
...
Benchmark                Mode  Cnt        Score      Error  Units
MyBenchmark.testMethod  thrpt   25  1004801,393 ± 4055,462  ops/s

这里JMH会有非常多的输出，具体内容我会在下一篇中进行讲解。

输出的最后便是本次基准测试的结果。其中比较重要的两项指标是Score和Error，分别代表本次基准测试的平均吞吐量（每秒运行testMethod方法的次数）以及误差范围。例如，这里的结果说明本次基准测试平均每秒生成10^6个异常实例，误差范围大致在4000个异常实例。

# 总结与实践

今天我介绍了OpenJDK的性能基准测试项目JMH。

Java程序的性能测试存在着许多深坑，有来自Java虚拟机的，有来自操作系统的，甚至有来自硬件系统的。如果没有足够的知识，那么性能测试的结果很有可能是有偏差的。

性能基准测试框架JMH是OpenJDK中的其中一个开源项目。它内置了许多功能，来规避由Java虚拟机中的即时编译器或者其他优化对性能测试造成的影响。此外，它还提供了不少策略来降低来自操作系统以及硬件系统的影响。

开发人员仅需将所要测试的业务逻辑通过@Benchmark注解，便可以让JMH的注解处理器自动生成真正的性能测试代码，以及相应的性能测试配置文件。

今天的实践环节，请生成一个JMH项目，并且在MyBenchmark.testMethod方法中填入自己的业务逻辑。（除非你已经提前了解@State等JMH功能，否则请不要在MyBenchmark中定义实例变量。）

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Instructions_per_cycle
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Branch_predictor
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Hyper-threading
[4] http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jmh/
[5] http://hg.openjdk.java.net/code-tools/jmh/file/3769055ad883/jmh-generator-annprocess/src/main/java/org/openjdk/jmh/generators/BenchmarkProcessor.java
[6] http://hg.openjdk.java.net/code-tools/jmh/file/3769055ad883/jmh-core/src/main/java/org/openjdk/jmh/annotations
[7] http://hg.openjdk.java.net/code-tools/jmh/file/3769055ad883/jmh-core/src/main/java/org/openjdk/jmh/Main.java

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