我从性能测试中学到的那些经验与教训

本文要点：

• 要做好性能测试很难，但花一些额外的时间做好性能测试是值得的，这样可以避免一些反复出现的问题；

• 要注意区分延迟测试和吞吐量测试，因为它们是系统的两个不同的方面；

• 在进行延迟测试时，要把吞吐量固定在一个水平；

• 在进行聚合时不要丢弃任何一个与性能有关的信息，要尽可能多地把它们记录下来；

• 只要多加小心，再加以自动化，就可以最大程度地避免出现性能回退。

对于像 Hazelcast 这样的内存计算平台来说，性能意味着一切。因此，我们在性能方面投入了大量精力，并在这个方面积累了多年的经验。

在这篇文章中，我将介绍一些常见的问题，并分享如何做好常规的性能测试。

性能测试中反复出现的问题

首先，测试环境差异是最常见的一个问题。如果一个系统最终要被部署到多台具有超强处理能力的机器上，那就不能够只根据在本地开发机上进行的性能测试做出合理的假设，因为在将系统部署到真实的环境中，结果会完全不一样。有趣的是，人们比他们自己认为的更容易犯这种错误。在我看来，其中的主要原因是懒惰（在本地测试很容易，但搭建额外的测试机器需要时间），意识不到这会成为一个问题，有时候是因为缺乏资源。

另一个反复出现的问题是测试场景不真实，例如，负载不够高、并发线程太少，或者完全不一样的操作比率。通常来说，在测试时要尽可能接近真实场景。也就是说，在开始测试之前，我们要尽可能多地收集与测试、用例、测试目标、环境和场景有关的信息，尽可能做到与真实环境相似。

下一个问题是不区分吞吐量测试和延迟测试，有时候甚至不确定是不是真的关心这两种测试。从我的经验来看，客户通常会更关心应用程序的吞吐量，于是他们就尽可能压榨系统的吞吐量，并基于这些结果做出决策。但如果你深挖下去，你会发现，在 99%的场景中，他们的负载都只是介于每秒多少个操作之间。在这个时候，可以把系统的吞吐量固定在这个水平，然后观察延迟，并进行延迟测试，而不是吞吐量测试。

最后一个问题是只关心聚合指标，比如均值和中值。这些指标把很多信息隐藏掉了，而这些被隐藏的信息很可能有助于做出更好的决策。本文的“评测性能”一节将更详细地介绍应该要收集哪些信息。

延迟测试和吞吐量测试之间的区别

吞吐量基本上是指某段时间内完成的操作次数（通常是每秒多少次操作）。延迟，也就是响应时间，是指从执行一个操作开始到接收到结果之间的时间。

这两个最基本的指标之间通常是相互关联的。在非并行系统中，延迟与吞吐量是成反向关系的，反过来也是一样。简单地说，如果每秒可以完成 10 个操作，那么每个操作（平均）需要十分之一秒。如果每秒种完成的操作越多，那么每个操作需要的时间就越少。

但是，在并行系统中，这种关系很容易被打破。以在 Web 服务器中增加线程为例，这样做不会缩短每个操作的响应时间，也就是说延迟不变，但吞吐量却提升了。

因此，吞吐量和延迟实际上是系统的两个不同的指标，我们要单独测试它们。更确切地说，在进行延迟测试时，我们要把吞吐量固定在一个水平，例如，“在每秒钟 10 万个操作的前提下测试延迟”。如果不这么做，在不同的吞吐量下系统延迟会发生变化，也就失去了可比性。

我们得到的经验教训是：在进行延迟测试时要使用固定的吞吐量。

收集和比较性能测试结果

另一个问题是如何收集、记录和分析性能测试结果。我觉得可以分为两个部分：一个是不要丢弃信息，一个是把分散的点连接起来。

我经常看到性能基准测试报告里会显示每秒平均操作数、中值或者延迟的某种百分位。的确，这样的报告看起来很简洁，也很容易发布出去。但是，如果你真的关心性能问题，就不要这么简单粗暴，你需要看到“所有”的数据。

在进行吞吐量测试时，一个常见的做法是讲总的操作数除以时间，这样做很容易就把重要信息丢掉了。如果你想要看到整体的情况，就需要显示吞吐量的变化过程。

从这张图可以很容易地找到问题所在。根据简单的“每秒平均 X 次操作”，你可以快速地得出结论：绿线是最好的。但是，这张图看起来又有点奇怪。虽然绿线的吞吐量是最大的，但是也是最不稳定的。换句话说，绿线抖动得很厉害，一点也不平滑。我们基于这条线发现了线程调度问题。

总的来说，这张图显示了吞吐量的变化过程，但如果只是从聚合结果来看，是不可能发现问题的。我们可能会因为绿线的值最高而欢呼雀跃，但却忽略了一个重要的性能问题。

在进行延迟测试时，另一个常见的问题是只显示平均延迟，或者好一点的话会显示某种百分位。在理想情况下，你可以创建一个百分位直方图，让你可以看到整体的情况。你还可以做得更好，就是查看百分位随时间的变化情况。

作为例子，下图显示了 50 百分位随着时间发生变化的情况。

从图中我们可以清楚地看到延迟随着时间的变化而增长。如果我们只发布平均值或者是一个完整的直方图，就很难发现这些信息。我们知道，系统发生了内存泄露。

Gil Tene 的HdrHistogram是一个非常好的用来生成百分位和延迟图表的工具。

然后是同时查看所有的图表。如果你在其中的一张图中发现了问题，要在另一张图中进行确认。如果有性能问题，通常会在多个地方体现出来。

我们再以内存泄露为例。如果一个 Java 程序发生内存泄露，我们会看到内存使用量上升，这个时候吞吐量应该会下降，因为垃圾回收会占用更多的时间。与此相关联的是，延迟也可能会增加。我们也可以看一下线程的 CPU 时间，它们的 CPU 时间也会减少，因为垃圾回收占用了更多的 CPU 时间。信息越多，你就会得到更好的结论，就越容易找到解决问题的方案。

找出性能瓶颈

找出性能问题的根源通常是一个漫长而痛苦的过程，取决于具体的代码、测试人员的经验，有时候甚至是运气。但我们仍然是有迹可循的。

首先是逐步诊断，每次只诊断一个步骤。在进行性能调优时，我们通常会说“这个选项很好用，这样设置垃圾回收对性能有帮助，打开这个开关可以获得更好的结果，我们都试试吧”。最终，这种叠加效果导致我们搞不清楚哪个才是有效的。因此，每一次我们只走一步，只使用一个开关，只修改一个地方。

具体来说，我们可以利用所有可利用的工具，特别是在手机数据的时候。你掌握的信息越多，就越是能够更好地了解系统行为，更快地找到痛点。因此，我们需要尽可能收集所有信息：系统息息（CPU、内存、磁盘 IO、上下文切换）、网络信息（对于分布式系统来说尤为重要）、垃圾回收日志、Java Flight Recorder（JFR）的分析数据，等等。我们还开发了专有的诊断工具，更细粒度地直接收集内部信息——操作时间取样、内部线程池的大小和时间、内部管道和缓冲区的统计信息，等等。

上图比较了三种调优选项的不同点，显示了每秒钟系统上下文切换次数。从结果看，绿线的切换次数最少，说明系统做的有用的事情更多，这个可以从吞吐量那张图中得到验证。

防止性能回退

进行常规（每天）自动化性能测试是很有必要的。在引入变更时需要尽可能快地获取必要的数据。在发现性能回退后，我们可以很容易将其隔离出来，极大减少用于修复回退所需的时间。

一个是执行测试，一个是保存和分析结果。在 Hazecast，我们使用PerfRepo，一个开源的 Web 应用程序，用于保存和分析性能测试结果。它会更新每一个最新的性能测试结果，所以很容易发现性能回退——你会在图中看到线往下走。我在 Red Hat 工作期间积极维护这个项目，因为时间原因，现在的开发进度慢了一些，但仍然是个完全可用的项目。

但不管怎么样，限制还是有的。我们无法面面俱到，因为各自情况的组合几乎是无限的。我们倾向于选择“最重要”的那些，但具体怎么做仍然值得我们讨论。

结论

要做好性能测试很难，很多方面都会出问题。关键在于要多注意细节，了解系统的行为，避免出现一些可笑的结果。当然，这需要时间。在 Hazelcast，我们也很注意这些，我们愿意为此付出时间和精力。你们呢？

作者介绍

Jiři Holuša是一个专注于开源的软件工程师，他热爱他的工作。之前在 Red Hat 工作，目前是 Hazelcast 质量工程团队的负责人。Hazelcast 是一家开发内存计算平台的公司。Holuša 喜欢深挖一个问题，从来都不放弃，直到问题得到解决。除此之外，他喜欢运动，作为一个真正的捷克人，他喜欢在喝啤酒时与别人进行愉快的交谈。如果你想看到更多由 Holuša 提供的有关性能测试的演讲，可以看他在 2019 年欧洲 TestCon 大会上做的Performance Testing Done Right演讲。你可以在 Twitter 通过 @jholusa 联系他。

原文链接：

Lessons Learned in Performance Testing