【java 性能优化实战】3 工具实践：如何获取代码性能数据？

首先解答一下上一课时的问题。磁盘的速度这么慢，为什么 Kafka 操作磁盘，吞吐量还能那么高？

这是因为，磁盘之所以慢，主要就是慢在寻道的操作上面。Kafka 官方测试表明，这个寻道时间长达 10ms。磁盘的顺序写和随机写的速度比，可以达到 6 千倍，Kafka 就是采用的顺序写的方式。

经过上一课时我们了解到，想要进行深入排查，需要收集较详细的性能数据，包括操作系统性能数据、JVM 的性能数据、应用的性能数据等。

那么，我们应该如何获取这些数据呢？本课时我将介绍一系列常用的性能测试工具。

nmon —— 获取系统性能数据

除了在上一课时中介绍的 top、free 等命令，还有一些将资源整合在一起的监控工具，

nmon 便是一个老牌的 Linux 性能监控工具，它不仅有漂亮的监控界面（如下图所示），还能产出细致的监控报表。

nmon 监控界面

我在对应用做性能评估时，通常会加上 nmon 的报告，这会让测试结果更加有说服力。你在平时工作中也可如此尝试。

上一课时介绍的一些操作系统性能指标，都可从 nmon 中获取。它的监控范围很广，包括 CPU、内存、网络、磁盘、文件系统、NFS、系统资源等信息。

nmon 在 sourceforge 发布，我已经下载下来并上传到了仓库中。比如我的是 CentOS 7 系统，选择对应的版本即可执行。

./nmon_x86_64_centos7

按 C 键可加入 CPU 面板；按 M 键可加入内存面板；按 N 键可加入网络；按 D 键可加入磁盘等。

通过下面的命令，表示每 5 秒采集一次数据，共采集 12 次，它会把这一段时间之内的数据记录下来。比如本次生成了 localhost_200623_1633.nmon 这个文件，我们把它从服务器上下载下来。

./nmon_x86_64_centos7  -f -s 5 -c 12 -m  -m .

注意：执行命令之后，可以通过 ps 命令找到这个进程。

[root@localhost nmon16m_helpsystems]# ps -ef| grep nmon
root      2228     1  0 16:33 pts/0    00:00:00 ./nmon_x86_64_centos7 -f -s 5 -c 12 -m .

使用 nmonchart 工具（见仓库），即可生成 html 文件。下面是生成文件的截图。

nmonchart 报表

jvisualvm —— 获取 JVM 性能数据

jvisualvm 原是随着 JDK 发布的一个工具，Java 9 之后开始单独发布。通过它，可以了解应用在运行中的内部情况。我们可以连接本地或者远程的服务器，监控大量的性能数据。

通过插件功能，jvisualvm 能获得更强大的扩展。如下图所示，建议把所有的插件下载下来进行体验。

jvisualvm 插件安装

要想监控远程的应用，还需要在被监控的 App 上加入 jmx 参数。

-Dcom.sun.management.jmxremote.port=14000
-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false
-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false

上述配置的意义是开启 JMX 连接端口 14000，同时配置不需要 SSL 安全认证方式连接。

对于性能优化来说，我们主要用到它的采样器。注意，由于抽样分析过程对程序运行性能有较大的影响，一般我们只在测试环境中使用此功能。

jvisualvm CPU 性能采样图

对于一个 Java 应用来说，除了要关注它的 CPU 指标，垃圾回收方面也是不容忽视的性能点，我们主要关注以下三点。

CPU 分析：统计方法的执行次数和执行耗时，这些数据可用于分析哪个方法执行时间过长，成为热点等。
内存分析：可以通过内存监视和内存快照等方式进行分析，进而检测内存泄漏问题，优化内存使用情况。
线程分析：可以查看线程的状态变化，以及一些死锁情况。

Arthas —— 获取单个请求的调用链耗时

Arthas 是一个 Java 诊断工具，可以排查内存溢出、CPU 飙升、负载高等内容，可以说是一个 jstack、jmap 等命令的大集合。

Arthas 启动界面

Arthas 支持很多命令，我们以 trace 命令为例。

有时候，我们统计到某个接口的耗时非常高，但又无法找到具体原因时，就可以使用这个 trace 命令。该命令会从方法执行开始记录整个链路上的执行情况，然后统计每个节点的性能开销，最终以树状打印，很多性能问题一眼就能看出来。

下面就是一个执行结果示例。

$ trace demo.MathGame run
Press Q or Ctrl+C to abort.
Affect(class-cnt:1 , method-cnt:1) cost in 28 ms.
`---ts=2019-12-04 00:45:08;thread_name=main;id=1;is_daemon=false;priority=5;TCCL=sun.misc.Launcher$AppClassLoader@3d4eac69`---[0.617465ms] demo.MathGame:run()`---[0.078946ms] demo.MathGame:primeFactors() #24 [throws Exception]

---ts=2019-12-04 00:45:09;thread_name=main;id=1;is_daemon=false;priority=5;TCCL=sun.misc.Launcher$AppClassLoader@3d4eac69    —[1.276874ms] demo.MathGame:run()
`—[0.03752ms] demo.MathGame:primeFactors() #24 [throws Exception]

我们在后面的课时中，也会有实例来演示如何找到问题发生的具体原因。

wrk —— 获取 Web 接口的性能数据

wrk（点击进入 GitHub 网站查看）是一款 HTTP 压测工具，和 ab 命令类似，它也是一个命令行工具。

我们先来看一下它的执行结果。

Running 30s test @ http://127.0.0.1:8080/index.html12 threads and 400 connectionsThread Stats   Avg      Stdev     Max   +/- StdevLatency   635.91us    0.89ms  12.92ms   93.69%Req/Sec    56.20k     8.07k   62.00k    86.54%22464657 requests in 30.00s, 17.76GB read
Requests/sec: 748868.53
Transfer/sec:    606.33MB

可以看到，wrk 统计了常见的性能指标，对 Web 服务性能测试非常有用。同时，wrk 支持 Lua 脚本，用来控制 setup、init、delay、request、response 等函数，可以更好地模拟用户请求。

小结

为了获取更多性能数据，我们在本课时介绍了以下 5 款工具。

nmon 获取系统性能数据；
jvisualvm 获取 JVM 性能数据；
jmc 获取 Java 应用详细性能数据；
arthas 获取单个请求的调用链耗时；
wrk 获取 Web 接口的性能数据。

可以看出，这些工具有偏低层的、有偏应用的、有偏统计的、有偏细节的，在定位性能问题时，你需要灵活地使用这些工具，既从全貌上掌握应用的属性，也从细节上找到性能的瓶颈，对应用性能进行全方位的掌控。

这些工具能够很好地帮助我们找到系统的瓶颈点，那么对代码进行优化时，如何分析优化效果呢？又如何对代码片段进行快速、专业的测试呢？下一课时，我将介绍“基准测试 JMH”，来解答以上问题。