시스템의 성능이 느릴 때 가장 먼저 해야 하는 작업은 병목 지점을 파악하는 것이다. 자바 기반의 시스템에 대하여 응답 속도나 각종 데이터를 측정하는 프로그램은 많다. 애플리케이션의 속도에 문제가 있을 때 분석하기 위한 툴로는 프로파일링 툴이나 APM 툴 등이 있다. 이 툴을 사용하면, 고속도로 위에서 헬기나 비행기로 훑어보듯이 병목 지점을 쉽게 파악할 수 있다.

APM 툴을 프로파일링 툴과 비교하면 프로파일링 툴은 개발자용 툴이고, APM 툴은 운영 환경용 툴이라고 할 수 있다.

프로파일링 툴

• 소스 레벨의 분석을 위한 툴이다.
• 애플리케이션의 세부 응답 시간까지 분석할 수 있다.
• 메모리 사용량을 객체나 클래스, 소스의 라인 단위까지 분석할 수 있다.
• 가격이 APM 툴에 비해서 저렴하다.
• 보통 사용자 수 기반으로 가격이 정해진다.
• 자바 기반의 클라이언트 프로그램 분석을 할 수 있다.

APM 툴

• 애플리케이션의 장애 상황에 대한 모니터링 및 문제점 진단이 주 목적이다.
• 서버의 사용자 수나 리소스에 대한 모니터링을 할 수 있다.
• 실시간 모니터링을 위한 툴이다.
• 가격이 프로파일링 툴에 비하여 비싸다.
• 보통 CPU 수를 기반으로 가격이 정해진다.

프로파일링 툴이 기본적으로 제공하는 기능은 어떤 것이 있을까? 각 툴이 제공하는 기능은 다양하고 서로 상이하지만, 응답 시간 프로파일링과 메모리 프로파일링 기능을 기본적으로 제공한다.

• 응답 시간 프로파일링: 응답 시간을 측정하기 위함이다. 하나의 클래스 내에서 사용되는 함수 단위의 응답 시간을 측정한다. 툴에 따라서 소스 라인 단위로 응답 속도를 측정할 수 있다. 응답 시간 프로파일링을 할 때는 보통 CPU 시간과 대기 시간이 제공된다.
• 메모리 프로파일링: 잠깐 사용하고 GC의 대상이 되는 부분을 찾거나, 메모리 부족 현상(Memory leak)이 발생하는 부분을 찾기 위함이다. 클래스 및 함수 단위의 메모리 사용량이 분석된다.

CPU 시간과 대기 시간이란 하나의 함수, 한 라인을 수행하는데 소요되는 시간은 무조건 CPU 시간과 대기 시간으로 나뉜다. CPU 시간은 CPU를 점유한 시간을 의미하고, 대기 시간은 CPU를 점유하지 않고 대기하는 시간을 의미한다. 따라서 CPU 시간와 대기 시간을 더하면 실제 소요 시간(Clock time)이 된다. CPU 시간은 툴에 따라 스레드(Thread) 시간으로 표시되기도 한다. 해당 스레드에서 CPU를 점유한 시간이기 때문에 표현만 다르지 사실은 같은 시간이다.

System 클래스

모든 System 클래스의 함수는 static으로 되어 있고, 그 안에서 생성된 in, out, err과 같은 객체들도 static으로 선언되어 있으며, 생성자도 없다. 본론에 들어가기 전에, 자주 사용하지는 않지만 알아두면 매우 유용한 함수들을 알아보자.

/*
특정한 배열을 복사할 때 사용한다. 여기서 src는 복사 원본 배열, dest는 복사한 값이 들어가는 배열이다. srcPos는 원본의 시작 위치, destPos는 복사본의 시작 위치, length는 복사하는 개수이다.
*/
static void arracopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length)

/*
현재 자바 속성 값들을 받아 온다. 자바의 JVM에서 사용할 수 있는 설정은 속성(Property)값과 환경(Environment)값이 있다. 속성은 JVM에서 지정된 값들이고, 환경은 장비(서버)에 지정되어 있는 값들이다.
*/
static Properties getProperties()

// key에 지정된 자바 속성 값을 받아 온다.
static String getProperties(String key)

// key에 지정된 자바 속성 값을 받아 온다. def는 해당 key가 존재하지 않을 경우 지정할 기본값이다.
static String getProperty(String key, String def)

// props 객체에 담겨 있는 내용을 자바 속성에 지정한다.
static void setProperties(Prope props)

// 자바 속성에 지정된 key의 값을 value 값으로 변환한다.
static String setProperties(String key, String value)

// 현재 시스템 환경 값 목록을 스트링 형태의 맵으로 리턴한다.
static Map<String, String> getenv()

// name에 지정된 환경 변수의 값을 얻는다.
static String getenv(String name)

// 파일명을 지정하고 네이티브 라이브러리를 로딩한다.
static void load(String filename)

// 라이브러리의 이름을 지정하여 네이티브 라이브러리를 로딩한다.
static void loadLibrary(String libname)

그리고 여러분들이 운영중인 코드에서 절대로 사용해서는 안되는 함수가 있다.

// 자바에서 사용하는 메모리를 명시적으로 해제하도록 GC를 수행하는 함수다.
static void gc()

// 현재 수행중인 JVM을 멈춘다. 이 함수는 절대로 수행하면 안 된다.
static void exit(int status)

/*
Object 객체에 있는 finalize()라는 함수는 자동으로 호출되는데, 가비지 콜렉터가 알아서
해당 객체를 더 이상 참조할 필요가 없을 때 호출한다. 하지만 이 함수를 호출하면 참조 해제
작업을 기다리는 모든 객체의 finalize() 함수를 수동으로 수행해야 한다.
*/
static void runFinalization()

currentTimeMills와 nanoTime

// 현재의 시간을 ms로 리턴한다(1/1000초).
static long currentTimeMills()

// 현재의 시간을 ns로 리턴한다(1/1,000,000,000초).
static long nanoTime()

nanoTime 함수는 나노 단위의 시간을 리턴해 주기 때문에 currentTimeMills 함수보다 비교 측정시에 더 정확하게 사용될 수 있다.

추가로 시간 측정시 초기에 성능이 느리게 나온 이유는 여러 가지이지만, 클래스가 로딩되면서 성능 저하도 발생하고, JIT Optimizer가 작동하면서 성능 최적화도 되기 때문이라고 보면 된다.

JMH(Java Microhenchmark Harness)는 JDK를 오픈 소스로 제공하는 OpenJDK에서 만든 성능 측정용 라이브러리다. JMH는 여러 개의 스레드로 테스트도 가능하고, 워밍업 작업도 자동으로 수행해주기 때문에 정확한 측정이 가능하다. 여러 결과를 제공하지만, 굵은 글씨로 표시된 값만 확인하면 된다.