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JMH 基准测试实战：Java 性能对比的正确打开方式！

news 来源：原创 2025/6/7 21:34:55

📖 摘要

在Java开发中，我们经常需要比较不同实现方式的性能差异。但如何科学、准确地进行性能测试呢？本文将带你深入理解JMH（Java Microbenchmark Harness）工具，通过实战演示如何正确编写和运行基准测试，避免常见的性能测试陷阱，让你的性能对比结果真实可靠！

📚 目录

为什么需要JMH？
JMH基础概念
环境准备
第一个JMH基准测试
常用注解详解
避免性能测试陷阱
实战案例：字符串拼接性能对比
高级特性
总结

🤔 为什么需要JMH？

在日常开发中，我们经常会遇到这样的场景：

long start = System.currentTimeMillis();
// 测试代码
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("耗时：" + (end - start) + "ms");

这种简单粗暴的性能测试方式存在很多问题：

JVM预热问题：JVM需要时间"热身"，初始执行的代码通常比后续执行慢
编译器优化：JIT编译器可能会优化掉"无用"代码
统计误差：单次测试结果不具有代表性
环境干扰：GC、CPU调度等都会影响结果

JMH是OpenJDK团队开发的专门用于Java微基准测试的工具，它能解决上述所有问题，提供科学、准确的性能测试结果。

📖 JMH基础概念

JMH中有几个核心概念需要理解：

@Benchmark：标记要测试的方法
Mode：测试模式，如吞吐量(Throughput)、平均时间(AverageTime)等
Warmup：预热阶段，让JVM达到稳定状态
Measurement：实际测量阶段
Fork：在独立的JVM进程中运行测试，避免相互干扰
State：测试状态，可用于共享数据

🛠️ 环境准备

1. 添加JMH依赖

使用Maven项目，添加以下依赖：


    org.openjdk.jmh
    jmh-core
    1.36


    org.openjdk.jmh
    jmh-generator-annprocess
    1.36
    provided

2. IDE插件(可选)

IntelliJ IDEA有JMH插件，可以方便地运行单个基准测试方法。

🚀 第一个JMH基准测试

让我们从一个最简单的例子开始：

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime) // 测试平均执行时间
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS) // 输出结果的时间单位
@Warmup(iterations = 3, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 预热3轮，每轮1秒
@Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS) // 测试5轮，每轮1秒
@Fork(1) // 使用1个进程
@State(Scope.Thread) // 每个测试线程一个实例
public class FirstBenchmark {

    @Benchmark
    public void testMethod() {
        // 这里是被测试的方法
        int a = 1;
        int b = 2;
        int sum = a + b;
        // 防止被JIT优化掉
        if (sum != 3) {
            throw new AssertionError();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        org.openjdk.jmh.Main.main(args);
    }
}

运行这个基准测试，你会看到类似如下的输出：

Benchmark                Mode  Cnt  Score   Error  Units
FirstBenchmark.testMethod  avgt    5  0.321 ± 0.012  ns/op

这表示我们的测试方法平均每次执行耗时0.321纳秒。

🏷️ 常用注解详解

JMH提供了丰富的注解来配置基准测试，下面介绍最常用的几个：

1. @BenchmarkMode

定义测试模式，可选值：

Throughput：吞吐量，单位时间内的操作数
AverageTime：平均时间，每次操作耗时
SampleTime：采样时间
SingleShotTime：单次执行时间
All：所有模式

@BenchmarkMode({Mode.Throughput, Mode.AverageTime})

2. @Warmup

配置预热参数：

iterations：预热轮数
time：每轮时间
timeUnit：时间单位

@Warmup(iterations = 3, time = 100, timeUnit = TimeUnit.MILLISECONDS)

3. @Measurement

配置实际测量参数：

iterations：测量轮数
time：每轮时间
timeUnit：时间单位

@Measurement(iterations = 5, time = 100, timeUnit = TimeUnit.MILLISECONDS)

4. @Fork

指定fork的进程数，避免测试间相互干扰：

@Fork(2) // 使用2个独立进程

5. @State

定义状态对象，用于在不同测试方法间共享数据：

@State(Scope.Thread) // 每个线程一个实例
public class MyState {
    public int a = 1;
    public int b = 2;
}

@Benchmark
public void testMethod(MyState state) {
    int sum = state.a + state.b;
}

⚠️ 避免性能测试陷阱

1. 死代码消除(Dead Code Elimination)

JIT编译器会优化掉没有实际效果的代码。例如：

@Benchmark
public void wrongTest() {
    Math.log(1.0); // 结果没有被使用，会被优化掉
}

正确做法是返回计算结果或使用Blackhole：

@Benchmark
public double correctTest() {
    return Math.log(1.0);
}

// 或者
@Benchmark
public void correctTest2(Blackhole blackhole) {
    blackhole.consume(Math.log(1.0));
}

2. 常量折叠(Constant Folding)

JIT会预先计算常量表达式：

@Benchmark
public int wrongTest() {
    return 1 + 2; // 会被优化为return 3
}

使用@State注入变量：

@State(Scope.Thread)
public class MyState {
    public int a = 1;
    public int b = 2;
}

@Benchmark
public int correctTest(MyState state) {
    return state.a + state.b;
}

3. 循环展开(Loop Unrolling)

JMH会自动处理循环问题，不要手动写循环：

// 错误做法
@Benchmark
public void wrongTest() {
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        // 测试代码
    }
}

// 正确做法
@Benchmark
public void correctTest() {
    // 单次操作的代码
}

JMH会自动控制迭代次数来获得准确的测量结果。

🎯 实战案例：字符串拼接性能对比

让我们通过一个实际案例来比较不同字符串拼接方式的性能差异：

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
@Warmup(iterations = 3, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Fork(1)
@State(Scope.Thread)
public class StringConcatBenchmark {

    private String str1 = "Hello";
    private String str2 = "World";
    private String str3 = "JMH";
    private String str4 = "Benchmark";

    @Benchmark
    public String concatWithPlus() {
        return str1 + str2 + str3 + str4;
    }

    @Benchmark
    public String concatWithStringBuilder() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(str1);
        sb.append(str2);
        sb.append(str3);
        sb.append(str4);
        return sb.toString();
    }

    @Benchmark
    public String concatWithStringBuffer() {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1);
        sb.append(str2);
        sb.append(str3);
        sb.append(str4);
        return sb.toString();
    }

    @Benchmark
    public String concatWithStringFormat() {
        return String.format("%s%s%s%s", str1, str2, str3, str4);
    }
}

运行结果可能如下：

Benchmark                              Mode  Cnt      Score      Error  Units
StringConcatBenchmark.concatWithPlus           thrpt    5  12345.678 ±  234.567  ops/ms
StringConcatBenchmark.concatWithStringBuilder  thrpt    5  23456.789 ±  345.678  ops/ms
StringConcatBenchmark.concatWithStringBuffer   thrpt    5  12345.678 ±  123.456  ops/ms
StringConcatBenchmark.concatWithStringFormat   thrpt    5   1234.567 ±   45.678  ops/ms

从结果可以看出：

StringBuilder性能最好
+操作符在现代Java版本中会被优化为StringBuilder，性能也不错
StringBuffer由于同步开销，性能稍差
String.format性能最差

🚀 高级特性

1. 参数化基准测试

使用@Param注解可以测试不同参数下的性能：

@State(Scope.Thread)
public class ParamBenchmark {
    
    @Param({"10", "100", "1000"})
    public int length;
    
    private String str;
    
    @Setup
    public void setup() {
        str = new String(new char[length]).replace('\0', 'x');
    }
    
    @Benchmark
    public String testToUpperCase() {
        return str.toUpperCase();
    }
}

2. 分组测试

可以分组比较不同实现：

@Benchmark
@Group("stringCompare")
public boolean compareWithEquals() {
    return str1.equals(str2);
}

@Benchmark
@Group("stringCompare")
public boolean compareWithEqualsIgnoreCase() {
    return str1.equalsIgnoreCase(str2);
}

3. 时间控制

精确控制测试时间：

@Benchmark
@BenchmarkMode(Mode.SingleShotTime)
@Measurement(batchSize = 10000) // 每轮执行10000次
public void testMethod() {
    // ...
}

📌 总结

JMH是Java微基准测试的事实标准工具，能提供科学准确的性能数据
基准测试需要考虑JVM预热、编译器优化等多种因素
使用@State管理测试状态，避免常量折叠等问题
使用Blackhole防止死代码消除
不要手动写循环，JMH会自动处理迭代
实际项目中，应该针对关键路径进行基准测试
测试结果要结合具体场景分析，没有绝对的"最优"

通过本文的学习，你应该已经掌握了JMH的基本用法和核心概念。在实际项目中，合理使用JMH可以帮助你做出更科学的性能优化决策，避免过早优化和错误优化。

记住：基准测试只是工具，真正的性能优化应该基于实际业务场景和性能分析！

🔔 最后提醒：性能优化应该遵循"三原则"：

先测量，再优化
优化关键路径
保持代码可读性

Happy benchmarking! 🎉