Java性能权威指南-总结3

  • 性能测试方法
  • 原则4:尽早频繁测试
  • 小结
  • Java性能调优工具箱
  • 操作系统的工具和分析
  • CPU使用率


性能测试方法

原则4:尽早频繁测试

这是最后的原则。性能测试应该作为开发周期不可或缺的一部分。理想情况下，在代码提交到中心源代码仓库前，性能测试就应该作为过程的一部分运行，如果代码引入了性能衰减，提交就会被阻止。

好的性能测试包含了许多代码——至少中等规模的介基准测试是这样。它需要在新老代码上重复运行多次，以便确认性能真的有差别而不是随机变动。在大型项目中，这可能需要花费好几天或者一周时间，这使得在提交代码到仓库之间运行性能测试变得不那么现实。

通常的软件开发周期也没使事情变得更容易。项目日程通常会固定特性的发布日期：所有的代码变动必须在发布周期的早些时候就提交到源代码仓库，而剩下的时间则贡献给了将新版本中的缺陷(包括性能问题)抖落干净。这导致了提早测试的两个问题。

  1. 为了赶上项目进度，开发人员会在时间压力之下提交代码，而一旦有时间修复性能问题时，又变得踯躇不前。早期提交代码所导致的1%的性能衰减，开发人员愿意承受压力，修复问题。而等到功能特性截止夜才提交的代码，如果性能衰减20%,开发人员就只能以后再处理了。
  2. 代码发生变化，性能也会随之而变。这个道理与测试全应用(以及可能有的模块测试)相同：堆内存的使用情况会改变，代码编译也会改变，等等。

开发过程中无论有多少困难，频繁的性能测试仍然很重要，即便有时候不能立刻解决问题。比如代码性能衰减了5%,随着开发的推进，开发人员或许可以采用以下措施：如果他的代码依赖有待集成的功能特性，那就等该功能可用时，再稍微调整代码，性能衰减的问题或许就解决了。这是合理的情况，即便这意味着性能测试不得不几个星期都伴随着5%的性能衰减(这是不幸的事，却又无法避免，还可能掩盖了其他问题)。

另一方面，如果性能衰减只有等架构更改才能修复的话，那就最好在其余代码开始依赖新代码实现之前，尽早捕获和解决它。这是一种平衡，需要仔细分析。

遵循以下准则，可以使得尽早频繁测试变得最有用：

自动化一切
所有的性能测试都应该脚本化(或者程序化，虽然脚本更简单)。全部环境都必须通过脚本安装和配置新代码(创建数据库连接、建立用户账号等),然后用脚本运行测试集。所谓自动化，还不止这些：脚本必须能够多次运行测试，对结果进行t检验分析，并能生成置信度报告，说明统计结果是相同，还是不同，如果不同，相差多少。

在测试运行前，必须通过自动化技术确保机器处于已知状态：必须检查是否有不希望运行的进程，操作系统配置是否正确，等等。只有每轮运行时保持相同的环境，性能测试才是可重复的。自动化过程中必须考虑这点。

测试一切
必须自动收集能想象到的每一点数据，以便进行后续分析。这些数据包括整个运行过程中采集的系统信息：CPU使用率、磁盘使用率、网络使用率和内存使用率等。数据还包括应用的日志——应用产生的日志，以及垃圾收集器的日志。理想情况下，还应该包括JFR记录的信息,或者对系统影响较小的性能分析(profiling)信息，周期性线程堆栈，以及其他堆分析数据，例如直方图或者全堆的转储信息(尤其是全堆转储，需要占用大量空间，没有必要长期保留)。

如果适用的话，监控信息还必须包括系统其他部分的数据：例如，如果程序使用数据库，就应该包括数据库机器的系统统计数据，以及所有的数据库诊断输出(包括Oracle的Automatic Workload Repository [AWR]这样的性能报告)。

这些数据可以指导所有未被覆盖的回归分析。如果CPU使用率上升，就需要参考性能分析信息，弄清楚是什么花费了这么多时间。如果GC时间变长，就该查阅堆性能分析信息，搞明白是什么消耗了这么多内存。如果CPU和GC时间都减少，某些地方的竞争可能降低了性能：栈数据可以指示特定的同步瓶颈,JFR记录可用来发现应用的延迟，数据库日志也可以发现数据库竞争加剧的线索。

当发现性能衰减源时，需要进一步巡查，找到更多可用数据，更多可以追踪的线索，发生性能衰减的未必是JVM。测量一切，从而确保分析的正确性。

在真实系统上运行
在单核笔记本上运行测试，与在256线程SPARC CPU机器上有很大的不同。从线程效应上来说，原因很清楚：机器规模越大，同时能运行的线程就越多，从而能减少应用线程对CPU的竞争。与此同时，大规模系统也会遇到小型笔记本上会被忽略的同步性能瓶颈。

还有其他重大的性能差异，即便乍一眼看上去不那么明显。许多重要的性能调优标志，它们的默认值是基于JVM运行的底层硬件系统计算出来的。平台和平台之间所编译出来的代码也不同。缓存——软件缓存以及更重要的硬件缓存——在不同系统和不同负载下也是不一样的，等等。

因此，除非在预期的负载和预期的硬件下测试，否则永远无法在测试中完全了解特定生产环境下的性能。可以在配置较低的硬件上运行规模较小的测试，以此来模拟和外推。在现实测试中，复制生产环境相当困难或昂贵。但外推只是简单的预测，即便在最好的情况下，预测也可能是错的。大规模系统远不只是将各部分加起来那么简单，没有什么测试能够代替在真实系统上的负载了。

快速小结

  1. 虽然频繁的性能测试很重要，但并非毫无代价，在日常的开发周期中需要仔细斟酌。
  2. 自动化测试系统可以收集所有机器和程序的全部统计数据，这可以为查找性能衰减问题提供必不可少的线索。

小结

性能测试包括各种权衡。面对诸多相互制约的选择，能否做出适当的决策，对于系统性能能否提升至关重要。

性能测试应该先测哪部分，与经验和直觉息息相关。微基准测试在这方面的作用最小，它的用途仅限于为某些操作设立宽泛的指导。这为其他测试留下广泛的施展空间，从小模块的测试到大规模多层的应用环境。所有这些测试都有某方面的价值，如何选择就得依靠经验和直觉了。不过最终部署到生产环境中之后，除了全应用测试，就没什么可选了。只有到那时才能理解所有与性能相关的问题以及全部影响。

与此类似，哪些代码导致或没导致性能衰减，并不总是皂白分明的。程序时不时会表现出随机行为，而一旦引入了随机性，就再也无法100%确定这些数据意味着什么了。使用统计分析有助于使结果变得更客观，但即便如此，仍然免不了主观臆断。理解这些数据背后的概率及其意义，有助于降低主观性。

Java性能调优工具箱

操作系统的工具和分析

实际上性能分析的起点与Java无关：它是一组操作系统自带的基本监控工具。在基于Unix的系统上，有sar(System Accounting Report)及其组成工具，例如vmstat、iostat、prstat等。在Windows上，有图形化资源监视器以及像typeperf这样的命令行工具。

无论何时运行性能测试，都应该收集操作系统的数据，至少需要收集CPU、内存和磁盘使用率的信息。 如果程序使用网络，还应该收集网络使用率。如果是自动化性能测试，还需要依靠命令行工具(即使是Windows系统)。不过，即便可以通过交互方式进行测试，也最好用命令行工具捕获输出，而不是一边盯着GUI,一边琢磨它的意思。在分析的时候可以再次将这些输出图形化。

CPU使用率

先看CPU的监控，以及监控所能告诉我们的关于Java程序的信息。通常CPU使用率可以分为两类：用户态时间和系统态时间(Windows上被称作privileged time)。用户态时间是CPU执行应用代码所占时间的百分比，而系统态时间则是CPU执行内核代码所占时间的百分比。系统态时间与应用相关，比如应用执行I/O操作，系统就会执行内核代码从磁盘读取文件，或者将缓冲数据发送到网络，等等。任何使用底层系统资源的操作，都会导致应用占用更多的系统态时间。

性能调优的目的是，在尽可能短的时间内让CPU使用率尽可能地高。这听起来有点不合常理，先来考虑一下，CPU使用率到底反映了什么。

首先需要注意的是，CPU使用率是一段时间内的平均数——5秒、30秒，也可能只有1秒那么短(不过永远不会比这还要短)。比如，10分钟内一个程序执行的CPU使用率为50%。如果代码调优之后，CPU使用率达到了100%,说明程序的性能翻了倍：程序只需要执行5分钟就可以了。如果性能再翻倍，CPU仍将是100%,而执行完程序只要2.5分钟。CPU使用率表示程序以多高的效率使用CPU,所以数字越大，性能越好。

如果在Linux桌面系统上运行vmstat 1,可以得到类似如下的几行信息(每隔一秒显示一行):

java性能监控指标 java性能权威指南_性能测试

为了便于说明问题，这个运行示例程序只有一个活跃线程。不过即便有多个线程，也可以应用如下概念。

每秒内，CPU被占用450毫秒(42%的时间执行用户代码，3%的时间执行系统代码)。相应地，CPU空闲550毫秒。CPU空闲可能有以下原因。

  • 应用被同步原语阻塞，直至锁释放才能继续执行。
  • 应用在等待某些东西，例如数据库调用所返回的响应。
  • 应用的确是无所事事。

前面2种情况通常都可用来识别某些问题。如果竞争降低，或优化数据库使之发送响应更快，程序运行都能变得更快，平均CPU使用率也会上升(当然，得假定没有其他继续阻塞应用的问题)。

第3点则常常使人疑惑。如果应用有事情做(而不是因为等待锁或者其他资源而无事可干),CPU就会分配一些周期执行应用代码。这是一般性原则，并不只针对Java。比如，包含无限循环的简单脚本。这段脚本执行时，将消耗100%的CPU。以下的Windows批处理任务就是这么干的：

ECHO OFF
:BEGIN
ECHO LOOPING
GOTO BEGIN
REM We never get here…
ECHO DONE

如果这段脚本没有消耗100%CPU,意味着，操作系统还有些事可做——它可以打印一行L00PING——却选择了空闲。这种情况下，空闲并没有什么好处，如果我们正在进行一些有用(耗时)的计算，那么迫使CPU周期性空闲只会使我们得到响应的时间变得更长。

如果在单CPU机器上运行上述脚本，多数时候不会注意到它的运行。不过一旦开启新程序，或者测量其他程序的运行时间，就能看到影响了。操作系统擅长为争用CPU周期的程序分配时间片，但新程序可用的CPU变少了，它也就运行得更慢。所以基于这种经验，人们有时会认为，在其他程序可能需要CPU周期时预留一些空闲周期，没准是个好主意。

但操作系统无法猜到你接下来想做什么，所以(默认情况下)它会尽可能执行一切而不是让CPU空闲。

限制程序所用的CPU
尽可能利用CPU周期运行程序可以使程序性能最大化。不过有时并不希望如此。比如，运行`SETI@home',`
它将消耗机器所有可用的CPU周期。这在不干活的时候没事，上网冲浪或者写文档的时候也没事，否则就会降低生产率。

操作系统有许多机制可用来人为限定程序所使用的CPU，如果有程序需要使用CPU,它就会退出空闲周期。进程的优
先级也可以改变，所以那些后台任务既不会与你想运行的程序争用CPU,也不会让CPU处于空闲状态。，
`SETI@home`可以配置优先级，除非允许，否则它不会真的占用机器的所有空余周期。

Java和单CPU的使用率
Java应用——CPU周期性空闲意味着什么?这依赖于应用的类型。如果应用代码是批处理类型，工作量固定，应该永远都不会看到CPU空闲，因为这意味着没事可做。提高CPU使用率，一直都是批处理任务的目的，因为任务会很快完成。如果CPU已经达到100%,仍然可以寻找优化，使得工作完成的更快(也要尽量保持100%CPU使用率)。

如果测试接收请求的服务器应用，就可能出现因无事可做而出现的空闲：例如，Web服务器已经处理完所有未完成的HTTP请求，正在等待下一个请求的时候。这就引入了平均时间。上述vmstat的示例来自一个每秒接收一个请求的应用服务器。应用服务器花450毫秒处理请求——意思是CPU被100%占用450毫秒，550毫秒没有占用。这就是所报告的CPU被占用45%。

虽然经常因为CPU占用发生的时间粒度很小而难以可视化，但运行负载型应用时CPU的行为就是这种爆发式的。如果CPU每半秒收到一个请求而平均处理时间为225毫秒，也能从宏观层面看到同样的模式。CPU被占用225毫秒，空闲275毫秒，再占用225毫秒，空闲275毫秒：平均来看，被占用45%,空闲55%。

如果应用优化之后每个请求只需要400毫秒，整体CPU使用率就会减少(到40%)。这是仅有的降低CPU使用率有意义的情况——当系统负载量固定并且应用不受外部资源限制的时候。另一方面，优化也使系统可以承担更多负载，最终提高CPU使用率。微观来看，这种情况下的优化仍然是使CPU使用率在短时间内(执行请求花费400毫秒)变为100%——只是CPU峰值持续的时间很短，事实上，大多数工具都不会将其标记为100%。

Java和多CPU的使用率
上面的例子是假定在单个CPU上运行的单线程，但概念与一般情况下多CPU多线程相同。多线程倾向于以有趣的方式平均使用CPU。但一般来说，多CPU多线程的目的仍然是通过不阻塞线程来提高CPU使用率，或者是在线程完成工作等待更多任务时降低CPU使用率。

另外在多线程多CPU下，需要重点考虑以下CPU空闲的情形：即便有事可做，CPU仍然空闲。这在程序没有更多线程可用的时候可能会出现。典型的情况是，应用以固定尺寸的线程池运行各种任务。每个线程同时只能执行一个任务，当线程被某个任务阻塞时(例如，等待数据库的响应),它就没法捡出新任务执行了。所以此时的情况就是，有任务需要执行(有事可做),却没有线程执行它们，结果就是CPU处在空闲时间。

在这个例子中，应该增加线程池的大小。然而，不要假设所有的空闲都是因为CPU可用，从而增加线程池以完成更多工作。程序得不到CPU周期，还有可能是由于前面提到的两个原因——锁或者外部资源的瓶颈。很重要的一点就是，在决定采取行动前，需要搞清楚为什么程序得不到CPU。

检查CPU使用率是弄清楚应用性能的第一步，但它的用途不仅如此：它可以查看代码的CPU使用是否与预期的一样，或者可以指出一些同步或资源问题。