如何真正对 Java 应用程序的内存使用情况进行基准测试

Question

我想比较 Java 程序的不同实现在内存使用效率方面。有不同的使用场景制定为 JUnit 测试用例。其实所有代码都是开源的：https://github.com/headissue/cache2k-benchmark

获取Java程序已用内存的一般常识是：Runtime.getRuntime().totalMemory() - Runtime.getRuntime().freeMemory()，当然也可以使用JMX接口来获取这些值。

但是，已用内存的确定值并不可靠。可能的原因：

• 可能有未收集的垃圾
• 如果 GC 未进行压缩，则存在碎片

到目前为止，我尝试切换到串行 GC，并在读取值之前使用 Runtime.getRuntime().gc() 强制进行垃圾收集。我已将实验代码放在：https://github.com/cruftex/java-memory-benchmark

如果我在读取值之前调用了三个gc，我会得到这个输出（mvn test | grep loopCount with jdk1.7.0_51）：

testBaseline1: used=1084168, loopCount=0, total=124780544
testBaseline2: used=485632, loopCount=0, total=124780544
testBaseline3: used=483760, loopCount=0, total=124780544
testBaseline4: used=483800, loopCount=0, total=124780544
testBaseline: used=484160, loopCount=0, total=124780544
test100MBytes: used=105341496, loopCount=0, total=276828160
test127MBytes: used=133653088, loopCount=0, total=469901312
test27MBytes: used=28795528, loopCount=0, total=317755392
test10MBytes: used=10969776, loopCount=0, total=124784640

四个gc 调用（签入）我得到：

testBaseline1: used=483072, loopCount=0, total=124780544
testBaseline2: used=483728, loopCount=0, total=124780544
testBaseline3: used=483768, loopCount=0, total=124780544
testBaseline4: used=483808, loopCount=0, total=124780544
testBaseline: used=483848, loopCount=0, total=124780544
test100MBytes: used=105341504, loopCount=0, total=276828160
test127MBytes: used=133653096, loopCount=0, total=469901312
test27MBytes: used=28795536, loopCount=0, total=139239424
test10MBytes: used=10969784, loopCount=0, total=124784640

因此经验表明，通过四次 GC 调用，结果似乎是正确的。 从 GC 统计输出中，我可以看到第一次 GC 填充了永久空间，第四次 GC 调用减少了它：

2015-01-08T02:30:35.069+0100: [Full GC2015-01-08T02:30:35.069+0100: [Tenured: 0K->1058K(83968K)
2015-01-08T02:30:35.136+0100: [Full GC2015-01-08T02:30:35.136+0100: [Tenured: 1058K->1058K(83968K)
2015-01-08T02:30:35.198+0100: [Full GC2015-01-08T02:30:35.198+0100: [Tenured: 1058K->1058K(83968K)
2015-01-08T02:30:35.263+0100: [Full GC2015-01-08T02:30:35.264+0100: [Tenured: 1058K->471K(83968K)

最终代码，获取内存使用值是：

try {
  Runtime.getRuntime().gc();
  Thread.sleep(55);
  Runtime.getRuntime().gc();
  Thread.sleep(55);
  Runtime.getRuntime().gc();
  Thread.sleep(55);
  Runtime.getRuntime().gc();
  Thread.sleep(55);
} catch (Exception ignore) { }
long _usedMem;
long _total;
long _total2;
long _count = -1;
// loop to get a stable reading, since memory may be resized between the method calls
do {
  _count++;
  _total = Runtime.getRuntime().totalMemory();
  try {
    Thread.sleep(12);
  } catch (Exception ignore) { }
  long _free = Runtime.getRuntime().freeMemory();
  _total2 = Runtime.getRuntime().totalMemory();
  _usedMem = _total - _free;
} while (_total != _total2);
System.out.println(_testName + ": used=" + _usedMem + ", loopCount=" + _count + ", total=" + _total);

我很不确定这种方法是否一直都能产生可靠的结果。所以有些问题：

• 是否有一些最佳实践可以从 Java 程序中获得可靠且可比较的基准值？
• 任何想法如何针对该用例调整（或实际失谐）GC？
• 是否有可靠的来源和可靠的行为来解释所需的四次 GC 调用？ （顺便说一句：java 8 的执行方式相同）
• 有没有办法说 JVM：“尽最大可能进行垃圾收集，我会等”？
• 一般来说，对于问题陈述，最“面向未来”和最可靠的解决方案可能是什么？

更新：

虽然上面的一些问题是 GC 相关的，但实际问题不是。我喜欢找出单个时间点的应用程序的内存使用情况。一种可能的解决方案是对所有对象进行深度搜索并总结大小。

更新 2：

同时，我写了一篇关于该问题的大量博客文章，讨论了如何测量实际内存使用情况的不同方法：

https://cruftex.net/2017/03/28/The-6-Memory-Metrics-You-Should-Track-in-Your-Java-Benchmarks.html

Answer 1

我也在这个问题上苦苦挣扎，并想知道是否有任何标准方法。

我能做的最好的事情就是告诉 JVM 尽最大努力收集垃圾，方法是在运行之后和下一次之前调用以下方法：

GcFinalization.awaitFullGc();

此方法来自 Guava test-lib 包，可以作为 Maven 依赖项添加为：

 <dependency>
    <groupId>com.google.guava</groupId>
    <artifactId>guava-testlib</artifactId>
    <version>18.0</version>
</dependency>

实现如下所示：

public static void awaitFullGc() {
   final CountDownLatch finalizerRan = new CountDownLatch(1);
   WeakReference<Object> ref = new WeakReference<Object>(
      new Object() {
         @Override protected void finalize() { finalizerRan.countDown(); }
      });

   await(finalizerRan);
   awaitClear(ref);

   // Hope to catch some stragglers queued up behind our finalizable object
   System.runFinalization();
 }

这给了我每次运行的非常一致的结果，并使 CPU 用户时间（来自ThreadMXBean）非常接近纳米时间（来自System.currentTimeMills）。在这些测量中，我主要关心的是运行时间，但与中间没有此调用的版本相比，内存使用情况也是一致的。

Answer 2

首先，您应该查看 JMH，了解应该如何进行正确的 Java 基准测试。

调用Runtime.getRuntime().gc() 绝对是一种不好的做法 - 无论是在现实生活中还是在对 GC 进行基准测试时。举个至少一个原因，通过强制 GC 循环，您直接惩罚了任何 GC 算法的性能。

此外，您无法通过让它们执行仅 ~4 GC 周期来比较各种 GC 算法。您应该运行适当的 GC 基准测试 - 请参阅 JMH，并且您至少需要运行相当长的时间 - 根据堆大小，这可能是 10 分钟或几个小时......

我认为您最好的开始是长时间运行类似 JMH 的基准测试（约 30 分钟），收集 GC 日志并处理 GC 日志以获取各种统计信息...至少要从某种合理的比较开始。

Answer 3

我想比较 Java 程序的不同实现 他们的内存使用效率。

一种选择是运行程序：

-Xloggc:gc.log_impl1 -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps

然后，切换到实现 2 并重新运行

-Xloggc:gc.log_impl2 -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps

然后下载HPjmeter，将两个文件加载到控制台并使用比较 gc 功能。图表中可能存在一些偏差，但您会很好地了解程序内存配置文件的不同之处。

我不会尝试综合调用 GC。