로그프레소 랩

JMH로 알아보는 오토 박싱의 부하

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양봉열

2017-01-12

쉽게 쓰여진 자바 코드에서는 일반적으로 정수 값의 목록을 List 클래스로 관리합니다. 자바 컬렉션 프레임워크는 구조적으로 잘 설계된 편이지만, 자바 언어의 한계로 프리미티브 타입을 자바 컬렉션으로 관리하는 경우 성능 상 많은 불이익을 받게 됩니다. 이는 자바 컬렉션이 설계적으로 Object 타입만 받아들일 수 있고, 프리미티브는 Object를 상속하지 않기 때문에 자동으로 객체 변환(Boxing)을 수행하기 때문입니다.

64비트 시스템에서 int 프리미티브는 8바이트를 차지하는 반면, Integer 객체는 포인터 8바이트, 객체 헤더 16바이트, 데이터 8바이트로 총 32바이트를 소모하므로 메모리량을 많이 차지할 뿐더러, GC 작업에 있어서도 하나의 프리미티브 배열에 비해 개별 Integer 객체를 모두 추적해야 하므로 많은 비용이 들어갑니다.

자바 컬렉션으로 인한 성능 페널티는 계산량이 많은 응용프로그램일수록 더욱 두드러지는데, 수십-수백 테라바이트의 역인덱스 포스팅 리스트를 스캔해야 하는 검색엔진이나, 대량의 연산을 수행해야 하는 데이터베이스에서도 마찬가지로 큰 성능 저하를 유발합니다.

오래된 예이지만, 루씬 3.5 시절의 아래 이슈는 객체 참조로 인한 메모리 사용량을 줄이고 프리미티브 배열로 처리하는게 어느 정도의 성능 향상 효과를 가져올 수 있는지 잘 보여줍니다:

JMH: Java Microbenchmark Harness

이제 오토박싱으로 인한 부하를 실제 측정해보기에 앞서, JMH를 소개하도록 하겠습니다. JMH는 JDK에서 공식적으로 제공하는 마이크로 벤치마크 프레임워크입니다. JMH를 기반으로 벤치마크 테스트를 작성하는 것을 권장하는 이유는, 조심스럽게 테스트 코드를 작성하지 않으면 JVM에서 제공하는 다양한 최적화 기법 때문에 벤치마크 테스트가 의도한대로 동작하지 않고 왜곡된 결과를 내놓을 수 있기 때문입니다.

아래와 같이 몇 가지 잘못된 예를 생각해볼 수 있습니다:

  • JIT 컴파일 여부: 핫스팟 컴파일러는 일정 횟수 이상 실행되는 메소드를 컴파일하는데, 만약 웜업 단계를 생략하게 되면 결과에 왜곡이 발생하게 됩니다.
  • 데드코드 제거: 벤치마크 작성 시 성능 측정 대상 코드만 간단히 루프에 넣어 돌리는 경우가 흔한데, 핫스팟 컴파일러는 참조되지 않는 무의미한 코드를 자동으로 삭제하기 때문에 왜곡된 결과를 얻을 수 있습니다.
  • 버추얼테이블 최적화: 인터페이스 구현체가 1개인 경우에는 실행 시 분기할 필요가 없기 때문에 네이티브 코드가 최적화됩니다. 그러나 코드 실행에 따라 동일 인터페이스를 구현하는 클래스가 추가로 로드되는 경우, 이전 실행과 달리 왜곡된 결과를 얻을 수 있습니다.

JMH 벤치마크 프로젝트 만들기

Maven을 이용해서 새 JMH 프로젝트를 생성합니다.

$ mvn archetype:generate -DinteractiveMode=false 
    -DarchetypeGroupId=org.openjdk.jmh -DarchetypeArtifactId=jmh-java-benchmark-archetype 
    -DgroupId=com.logpresso -DartifactId=benchmark -Dversion=1.0

그러면 아래와 같이 샘플 코드가 생성됩니다.

package com.logpresso;

import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;

public class MyBenchmark {
    @Benchmark
    public void testMethod() {
        // This is a demo/sample template for building your JMH benchmarks. Edit as needed.
        // Put your benchmark code here.
    }
}

아래와 같이 두 개의 벤치마크 테스트 코드를 작성합니다.

package com.logpresso;

import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;
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;

public class MyBenchmark {
	private static final int MAX_SIZE = 10000000;

	@Benchmark
	public int[] testPrimitive() {
		int[] array = new int[MAX_SIZE];
		for (int i = 0; i < MAX_SIZE; i++)
			array[i] = i;

		return array;
	}

	@Benchmark
	public Integer[] textBoxing() {
		Integer[] array = new Integer[MAX_SIZE];
		for (int i = 0; i < MAX_SIZE; i++)
			array[i] = i;

		return array;
	}
}

컴파일 후 아래와 같이 실행합니다:

$ mvn clean package
$ java -jar target/benchmark-1.0.jar

이제 실행하면 아래와 같은 결과를 볼 수 있습니다:

# Run complete. Total time: 00:14:20

Benchmark                   Mode  Cnt    Score   Error  Units
MyBenchmark.testPrimitive  thrpt  200  166.054 ± 1.265  ops/s
MyBenchmark.textBoxing     thrpt  200   32.191 ± 0.484  ops/s

프리미티브 배열의 처리량이 객체 배열에 비해 약 5배 정도 높은 것을 확인할 수 있습니다. 전체 실행 결과는 이 링크에서 볼 수 있습니다.

JMH 프레임워크에서 적용할 수 있는 옵션은 여러가지인데, 이번 글에서는 가장 간단한 테스트 구성만 알아보았습니다. 자세한 내용은 OpenJDK: JMH 페이지를 참고하시기 바랍니다.