jmh表示M1比M2快，但M1代表M2

时间：2016-07-31 18:06:08

标签： java performance-testing jmh

我写了一个JMH基准，涉及两种方法：M1和M2。 M1引用M2但由于某种原因，JMH声称M1比M2快。

以下是基准源代码：

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import static org.bitbucket.cowwoc.requirements.Requirements.assertThat;
import static org.bitbucket.cowwoc.requirements.Requirements.requireThat;
import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;
import org.openjdk.jmh.annotations.BenchmarkMode;
import org.openjdk.jmh.annotations.Mode;
import org.openjdk.jmh.annotations.OutputTimeUnit;
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;

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
public class MyBenchmark {

    @Benchmark
    public void assertMethod() {
        assertThat("value", "name").isNotNull().isNotEmpty();
    }

    @Benchmark
    public void requireMethod() {
        requireThat("value", "name").isNotNull().isNotEmpty();
    }

    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(MyBenchmark.class.getSimpleName())
                .forks(1)
                .build();

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

在上面的例子中，M1是assertThat()，M2是requireThat()。意思是，assertThat()在引擎盖下调用requireThat()。

以下是基准输出：

# JMH 1.13 (released 8 days ago)
# VM version: JDK 1.8.0_102, VM 25.102-b14
# VM invoker: C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\bin\java.exe
# VM options: -ea
# Warmup: 20 iterations, 1 s each
# Measurement: 20 iterations, 1 s each
# Timeout: 10 min per iteration
# Threads: 1 thread, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Average time, time/op
# Benchmark: com.mycompany.jmh.MyBenchmark.assertMethod

# Run progress: 0.00% complete, ETA 00:01:20
# Fork: 1 of 1
# Warmup Iteration   1: 8.268 ns/op
# Warmup Iteration   2: 6.082 ns/op
# Warmup Iteration   3: 4.846 ns/op
# Warmup Iteration   4: 4.854 ns/op
# Warmup Iteration   5: 4.834 ns/op
# Warmup Iteration   6: 4.831 ns/op
# Warmup Iteration   7: 4.815 ns/op
# Warmup Iteration   8: 4.839 ns/op
# Warmup Iteration   9: 4.825 ns/op
# Warmup Iteration  10: 4.812 ns/op
# Warmup Iteration  11: 4.806 ns/op
# Warmup Iteration  12: 4.805 ns/op
# Warmup Iteration  13: 4.802 ns/op
# Warmup Iteration  14: 4.813 ns/op
# Warmup Iteration  15: 4.805 ns/op
# Warmup Iteration  16: 4.818 ns/op
# Warmup Iteration  17: 4.815 ns/op
# Warmup Iteration  18: 4.817 ns/op
# Warmup Iteration  19: 4.812 ns/op
# Warmup Iteration  20: 4.810 ns/op
Iteration   1: 4.805 ns/op
Iteration   2: 4.816 ns/op
Iteration   3: 4.813 ns/op
Iteration   4: 4.938 ns/op
Iteration   5: 5.061 ns/op
Iteration   6: 5.129 ns/op
Iteration   7: 4.828 ns/op
Iteration   8: 4.837 ns/op
Iteration   9: 4.819 ns/op
Iteration  10: 4.815 ns/op
Iteration  11: 4.872 ns/op
Iteration  12: 4.806 ns/op
Iteration  13: 4.811 ns/op
Iteration  14: 4.827 ns/op
Iteration  15: 4.837 ns/op
Iteration  16: 4.842 ns/op
Iteration  17: 4.812 ns/op
Iteration  18: 4.809 ns/op
Iteration  19: 4.806 ns/op
Iteration  20: 4.815 ns/op


Result "assertMethod":
  4.855 �(99.9%) 0.077 ns/op [Average]
  (min, avg, max) = (4.805, 4.855, 5.129), stdev = 0.088
  CI (99.9%): [4.778, 4.932] (assumes normal distribution)


# JMH 1.13 (released 8 days ago)
# VM version: JDK 1.8.0_102, VM 25.102-b14
# VM invoker: C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_102\jre\bin\java.exe
# VM options: -ea
# Warmup: 20 iterations, 1 s each
# Measurement: 20 iterations, 1 s each
# Timeout: 10 min per iteration
# Threads: 1 thread, will synchronize iterations
# Benchmark mode: Average time, time/op
# Benchmark: com.mycompany.jmh.MyBenchmark.requireMethod

# Run progress: 50.00% complete, ETA 00:00:40
# Fork: 1 of 1
# Warmup Iteration   1: 7.193 ns/op
# Warmup Iteration   2: 4.835 ns/op
# Warmup Iteration   3: 5.039 ns/op
# Warmup Iteration   4: 5.053 ns/op
# Warmup Iteration   5: 5.077 ns/op
# Warmup Iteration   6: 5.102 ns/op
# Warmup Iteration   7: 5.088 ns/op
# Warmup Iteration   8: 5.109 ns/op
# Warmup Iteration   9: 5.096 ns/op
# Warmup Iteration  10: 5.096 ns/op
# Warmup Iteration  11: 5.091 ns/op
# Warmup Iteration  12: 5.089 ns/op
# Warmup Iteration  13: 5.099 ns/op
# Warmup Iteration  14: 5.097 ns/op
# Warmup Iteration  15: 5.090 ns/op
# Warmup Iteration  16: 5.096 ns/op
# Warmup Iteration  17: 5.088 ns/op
# Warmup Iteration  18: 5.086 ns/op
# Warmup Iteration  19: 5.087 ns/op
# Warmup Iteration  20: 5.097 ns/op
Iteration   1: 5.097 ns/op
Iteration   2: 5.088 ns/op
Iteration   3: 5.092 ns/op
Iteration   4: 5.097 ns/op
Iteration   5: 5.082 ns/op
Iteration   6: 5.089 ns/op
Iteration   7: 5.086 ns/op
Iteration   8: 5.084 ns/op
Iteration   9: 5.090 ns/op
Iteration  10: 5.086 ns/op
Iteration  11: 5.084 ns/op
Iteration  12: 5.088 ns/op
Iteration  13: 5.091 ns/op
Iteration  14: 5.092 ns/op
Iteration  15: 5.085 ns/op
Iteration  16: 5.096 ns/op
Iteration  17: 5.078 ns/op
Iteration  18: 5.125 ns/op
Iteration  19: 5.089 ns/op
Iteration  20: 5.091 ns/op


Result "requireMethod":
  5.091 �(99.9%) 0.008 ns/op [Average]
  (min, avg, max) = (5.078, 5.091, 5.125), stdev = 0.010
  CI (99.9%): [5.082, 5.099] (assumes normal distribution)


# Run complete. Total time: 00:01:21

Benchmark                       Mode  Cnt  Score   Error  Units
MyBenchmark.assertMethod        avgt   20  4.855 � 0.077  ns/op
MyBenchmark.requireMethod       avgt   20  5.091 � 0.008  ns/op

要在本地重现：

  1. 创建包含上述基准的Maven项目。

  2. 添加以下依赖项：

    <dependency>
    <groupId>org.bitbucket.cowwoc</groupId>
    <artifactId>requirements</artifactId>
    <version>2.0.0</version>
</dependency>
  3. 或者，从https://bitbucket.org/cowwoc/requirements/
    4. 下载库

    我有以下问题：

    1. 你能在结束时重现这个结果吗？
    2. 基准测试有什么问题？

      3. 更新：我根据https://bitbucket.org/cowwoc/requirements/downloads的建议将更新的基准源代码，基准输出，jmh-test输出和xperfasm输出发布到Aleksey Shipilev。由于问题的限制为30k，我无法将这些发布到Stackoverflow。

      UPDATE2 ：我终于获得了一致，有意义的结果。 

      Benchmark                  Mode  Cnt   Score   Error  Units
MyBenchmark.assertMethod   avgt   60  22.552 ± 0.020  ns/op
MyBenchmark.requireMethod  avgt   60  22.411 ± 0.114  ns/op

      按consistent，我的意思是我在不同的运行中得到几乎相同的值。

      截至meaningful，我的意思是assertMethod()比requireMethod()慢。

      我做了以下更改：

      • 锁定CPU时钟（Windows电源选项中的最小/最大CPU设置为99％）
      • 添加了JVM选项-XX:-TieredCompilation -XX:-ProfileInterpreter

      是否有人能够在不增加运行时间的情况下实现这些结果？

      UPDATE3 ：禁用内联会产生相同的结果而不会出现明显的性能下降。我发布了更详细的答案here。

4 个答案:

答案 0 :(得分：11)

在这种特殊情况下，由于注册分配问题，assertMethod确实编译得比requireMethod好。

基准测试看起来是正确的，我可以不断重现您的结果 分析我提出的问题the simplified benchmark：

package bench;

import com.google.common.collect.ImmutableMap;
import org.openjdk.jmh.annotations.*;

@State(Scope.Benchmark)
public class Requirements {
    private static boolean enabled = true;

    private String name = "name";
    private String value = "value";

    @Benchmark
    public Object assertMethod() {
        if (enabled)
            return requireThat(value, name);
        return null;
    }

    @Benchmark
    public Object requireMethod() {
        return requireThat(value, name);
    }

    public static Object requireThat(String parameter, String name) {
        if (name.trim().isEmpty())
            throw new IllegalArgumentException();
        return new StringRequirementsImpl(parameter, name, new Configuration());
    }

    static class Configuration {
        private Object context = ImmutableMap.of();
    }

    static class StringRequirementsImpl {
        private String parameter;
        private String name;
        private Configuration config;
        private ObjectRequirementsImpl asObject;

        StringRequirementsImpl(String parameter, String name, Configuration config) {
            this.parameter = parameter;
            this.name = name;
            this.config = config;
            this.asObject = new ObjectRequirementsImpl(parameter, name, config);
        }
    }

    static class ObjectRequirementsImpl {
        private Object parameter;
        private String name;
        private Configuration config;

        ObjectRequirementsImpl(Object parameter, String name, Configuration config) {
            this.parameter = parameter;
            this.name = name;
            this.config = config;
        }
    }
}

首先，我已经-XX:+PrintInlining验证了整个基准测试是一个很大的方法。显然，这个编译单元有很多节点，并且没有足够的CPU寄存器来保存所有中间变量。也就是说，编译器需要spill其中一些。

  • 在调用assertMethod之前，trim() 4 registers会溢出到堆栈。
  • requireMethod 7 registers之后，在new Configuration()致电之后，-XX:+PrintAssembly {{3}}被泄漏。

assertMethod | requireMethod -------------------------|------------------------ mov %r11d,0x5c(%rsp) | mov %rcx,0x20(%rsp) mov %r10d,0x58(%rsp) | mov %r11,0x48(%rsp) mov %rbp,0x50(%rsp) | mov %r10,0x30(%rsp) mov %rbx,0x48(%rsp) | mov %rbp,0x50(%rsp) | mov %r9d,0x58(%rsp) | mov %edi,0x5c(%rsp) | mov %r8,0x60(%rsp) 输出：

if (enabled)

除了if检查之外，这几乎是两个编译方法之间的唯一区别。因此，性能差异可以通过更多溢出到内存的变量来解释。

为什么较小的方法编译得不那么理想呢？那么，已知寄存器分配问题是NP完全的。由于理想情况下无法在合理的时间内解决，编译器通常依赖于某些启发式方法。在一个很大的方法中，像额外requireMethod这样的小事可能会显着改变寄存器分配算法的结果。

但是你不必担心。我们看到的效果并不意味着@RunWith(PowerMockRunner.class)总是被编译得更糟。在其他用例中，由于内联，编译图将完全不同。无论如何，1纳秒的差异对于实际应用性能来说并不算什么。

答案 1 :(得分：2)

您通过指定forks(1)在单个VM进程中运行测试。在运行时，虚拟机会查看您的代码并尝试确定它是如何实际执行的。然后，它会创建所谓的配置文件，以根据观察到的行为优化您的应用程序。

这里最有可能发生的事件是称为轮廓污染，其中第一个基准运行对第二个基准的结果有影响。过度简化：如果您的VM经过训练以通过运行其基准来做得很好（a），那么它需要一些额外的时间来习惯（b）之后。因此，（b）似乎需要更多时间。

为了避免这种情况，请使用多个分支运行您的基准测试，在新的VM进程上运行不同的基准测试，以避免此类分析。您可以在are provided by JMH。

的样本中阅读有关分叉的更多信息

您还应该检查the sample on state;你不应该把你的输入称为常量，而是让JMH处理值的转义以便应用实际的计算。

我想 - 如果应用得当 - 两个基准测试都会产生类似的运行时间。

更新 - 以下是针对固定基准测试的内容：

Benchmark                  Mode  Cnt   Score   Error  Units
MyBenchmark.assertMethod   avgt   40  17,592 ± 1,493  ns/op
MyBenchmark.requireMethod  avgt   40  17,999 ± 0,920  ns/op

为了完成，我还使用 perfasm 运行基准测试，两种方法基本上编译成相同的东西。

答案 2 :(得分：1)

回答我自己的问题：

似乎内联正在扭曲结果。我需要做的就是获得一致，有意义的结果如下：

  • 锁定CPU时钟（Windows电源选项中最小/最大CPU设置为99％）
  • 通过使用@CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)注释两个方法来禁用内联。

我现在得到以下结果：

Benchmark                  Mode  Cnt   Score   Error  Units
MyBenchmark.assertMethod   avgt  200  11.462 ± 0.048  ns/op
MyBenchmark.requireMethod  avgt  200  11.138 ± 0.062  ns/op

我尝试分析-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintInlining的输出，但无法发现任何错误。这两种方法似乎都以相同的方式内联。 ＆LT;耸肩＆GT;

基准源代码是：

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import static org.bitbucket.cowwoc.requirements.Requirements.assertThat;
import static org.bitbucket.cowwoc.requirements.Requirements.requireThat;
import org.bitbucket.cowwoc.requirements.StringRequirements;
import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;
import org.openjdk.jmh.annotations.CompilerControl;
import org.openjdk.jmh.annotations.Mode;
import org.openjdk.jmh.annotations.Scope;
import org.openjdk.jmh.annotations.State;
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;

@State(Scope.Benchmark)
public class MyBenchmark {

    private String name = "name";
    private String value = "value";

    @Benchmark
    public void emptyMethod() {
    }

    // Inlining leads to unexpected results: https://stackoverflow.com/a/38860869/14731
    @Benchmark
    @CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)
    public StringRequirements assertMethod() {
        return assertThat(value, name).isNotNull().isNotEmpty();
    }

    @Benchmark
    @CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)
    public StringRequirements requireMethod() {
        return requireThat(value, name).isNotNull().isNotEmpty();
    }

    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(MyBenchmark.class.getSimpleName())
                .jvmArgsAppend("-ea")
                .forks(3)
                .timeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
                .mode(Mode.AverageTime)
                .build();

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

更新：apangin似乎figured out为什么assertMethod()比requireMethod()更快。

答案 3 :(得分：0)

这在微基准测试中非常频繁。当我下载你的代码时，我得到了相同的结果，但与其他数字相比，显然我的电脑比你的慢。但是，如果我修改你的源代码以使用5个forks，100次热预迭代和20次测量迭代，那么requireMethod会比assertMethod更快一点。

JMH很棒，但编写看起来不错的测试非常容易，但是由于迭代次数太少而无法信任结果。

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