java程序性能优化

/一、java性能调优概述

Amdahl定律：加速比与系统并行度和处理器数量的关系。

 

Speedup≤frac{1}{F+frac{1-F}{N}}

　　

设加速比为Speedup，系统内必须串行化的程序比重为F，CPU处理器数量为N

性能调优的层次：

1.设计调优

2.代码调优

3.JVM调优

4.数据库调优

5.操作系统调优

二、设计优化

1.善用设计模式

2.常用优化组件和方法

2.1缓冲buffer

2.2缓存cache

EHCache

2.3对象复用-池

2.4并行替代串行

2.5负载均衡

2.6时间换空间

2.7空间换时间

三、java程序优化

1.字符串优化处理

1.1 String对象及其特点

1.2 subString()方法的内存泄漏

1.3字符串分割和查找

1.4 StringBuffer 和 StringBuilder

2.核心数据结构

3.使用NIO提升性能

4.引用类型

5.有助于改善性能的技巧

1.慎用异常

2.使用局部变量

3.位运算代替乘除法

4.替换switch

5.一维数组代替二维数组

6.提取表达式

7.展开循环

8.布尔运算代替位运算

9.使用arrayCopy()

10.使用Buffer进行I/O操作

11.使用clone()代替new

12.静态方法替代实例方法

四、并行程序开发及优化

1.Executor框架

//Executors工厂类的主要方法：
public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads)
  返回一个固定线程数量的线程池，该线程池中的线程数量始终不变。当有一个新的任务提交时，线程池中若有空闲线程，则立即执行。若没有，则新任务会被暂存在一个任务队列中，待有线程空闲时，便处理在任务队列中的任务。
public static ExecutorService newSingleThreadExecutor()
  返回一个只有一个线程的线程池。若多余一个任务被提交到该线程池，任务会被保存在一个任务队列中，待线程空闲，按先入先出的顺序执行队列中的任务。
public static ExecutorService newCachedThreadPool()
  返回一个可根据实际情况调整线程数量的线程池。线程池的线程数量不确定，但若有空闲线程可以复用，则会优先使用可复用的线程。若所有线程均在工作，又有新的任务提交，则会创建新的线程处理任务。所有线程在当前任务执行完毕后，将返回线程池进行复用。
public static ScheduledExecutorService newSingleThreadScheduledExecutor()
  返回一个ScheduledExecutorService对象，线程池大小为1.ScheduledExecutorService接口在ExecutorService接口之上扩展了在给定时间执行某任务的功能，如在某个固定的延时之后执行，或者周期性执行某个任务
public static ScheduledExecutorService newScheduledThreadPool(int corePoolSize)
  返回一个ScheduledExecutorService对象，该线程池可以指定线程数量。
  
 //都是对ThreadPoolExecutor的封装
 public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                              int maximumPoolSize,
                              long keepAliveTime,
                              TimeUnit unit,
                              BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                              ThreadFactory threadFactory,
                              RejectedExecutionHandler handler) {
  //corePoolSize：指定了线程池中的线程数量
  //maximumPoolSize：制定了线程池中的最大线程数量
  //keepAliveTime：当线程池线程数量超过corePoolSize时，多余的空闲线程的存活时间。
  //unit:keepAliveTime单位
  //workQueue：任务队列，被提交但尚未被执行的任务
  //threadFactory：线程工厂，用于创建线程，一般用默认的即可
  //handler:拒绝策略

优化线程池大小：

最优的线程池的大小等于：

​

Ncpu:CPU的数量

Ucpu：目标CPU的使用率，0≤Ucpu≤1

W/C:等待时间与计算时间的比率

java中

Runtime.getRuntime().availableProcessors();
//获取CPU数量

2、JDK并发数据结构

并发List：Vector CopyOnWriteArrayList

并发Set ： CopyOnWriteArraySet

并发Map： ConcurrentHashMap

并发Queue： ConcurrentLinkedQueue

并发Deque： LinkedBlockingDeque

3.并发控制方法

3.1 Java内存模型与volatile

一个线程可以执行的操作有使用（use）、赋值（assign）、装载（load）、存储（store）、锁定（lock）、解锁（unlock）。主内存可以执行的操作有读（read）、写（write）、锁定（lock）、解锁（unlock）

 

use:把一个变量在线程工作内存中的拷贝内容传送给线程执行引擎

assign：把一个值从线程执行引擎传送到变量的线程工作内存。

read：把一个变量的主内存拷贝的内容传输到线程的工作内存，以便load操作使用

load：把read操作从主内存中得到的值放入变量的线程工作内存中

store：把一个变量的线程工作内存拷贝内容传送到主内存中，以便write操作使用

write：把store操作从线程工作内存中得到的值放入主内存中变量拷贝中

主内存lock:使线程获得一个独占锁

主内存unlock：使线程释放一个独占锁

声明为volatile的变量可以做以下保证：

1.其他线程对变量的修改，可以即时反应在当前线程中

2.确保当前线程对volatile变量的修改，能即时写回共享主内存中，并被其他线程所见

3.使用volatile声明的变量，编译器会保证其有序性

3.2 synchronize同步关键字

3.3 ReentrantLock重入锁

重要的方法：

lock():获得锁，如果锁已经被占用，则等待

lockaInterruptibly():获得锁，但优先相应中断

tryLock():尝试获得锁，如果成功，返回true，失败返回false。该方法不等待，立即返回

tryLock(long time,TimeUnit unit):在给定时间内尝试获得锁

unlock():释放锁

3.4 ReadWriteLock读写锁

3.5 Condition对象

Condition接口提供的基本方法：

await():使当前线程等待，同时释放当前锁，当其他线程中使用signal()或者signalAll()方法时，线程会重新获得锁并继续执行。或者当线程被中断时，也能跳出等待。

awaitUninterruptibly():与await基本相同，但并不会在等待过程中响应中断

singal():唤醒一个在等待中的线程，相对的singalAll()方法会唤醒所有在等待中的线程

3.6 Semaphore信号量

//信号量准入数 是否公平
public Semaphore(int permits)
public Semaphore(int permits, boolean fair)
​
​
public void acquire()
//尝试获得一个准入的许可。若无法获得，则线程会等待，直到有线程释放一个许可或者当前线程被中断。
public void acquireUninterruptibly()
//与acquire相似，但不响应中断
public boolean tryAcquire()
//尝试获得一个许可，如果成功返回true，失败返回false，不会等待，立即返回
public boolean tryAcquire(long timeout, TimeUnit unit)
public void release()
//用于在线程访问资源结束后，释放一个许可，以使其他等待许可的线程可以进行资源访问

3.7 ThreadLocal线程局部变量

public void set(T value)
//将此线程局部变量的当前线程副本中的值设置为指定值
public T get()
  //返回此线程局部变量的当前线程副本中的值
public void remove()
  //移除此线程局部变量当前线程的值

4.“锁”的性能和优化

1.线程的开销

2.避免死锁

3.减小锁持有时间

4.减小锁粒度

5.读写分离锁来替换独占锁

6.锁分离

7.重入锁和内部锁

8.锁粗化（Lock Coarsening）

9.自旋锁

10.锁消除

11.锁偏向

5.无锁的并行计算

1.非阻塞的同步/无锁

2.原子操作

3.Amino框架介绍

6.协程

Kilim框架

五、JVM调优

1. java虚拟机内存模型

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、java堆、方法区（JDK8前）

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈、java堆、元数据区

1.1 java虚拟机栈

请求的栈深度大于最大可用的栈深度，则抛出 StackOverflowError;

没有足够的内存空间来支持栈的扩展，则抛出 OutOfMemoryError。

在Hot Spot虚拟机中，可以使用-Xss参数来设置栈的大小。栈的大小直接决定函数调用的可达深度。

private int count=0;
    public void recursion(){
        count++;
        recursion();
    }
    @Test
    public void test1(){
        try{
            //调用递归，等待溢出
            recursion();
        }catch (Throwable e){
            System.out.println("deep:"+count);
            e.printStackTrace();
        }
    }
​
deep:6712
-Xss1M 扩大栈空间的最大值。函数调用深度上升
deep:39226
java.lang.StackOverflowError

1.2 java堆

堆空间简单分为新生代和老年代。新生代细分：eden、survivor space0（s0或者from space） survivor space1（s1或者 to space）

2.JVM内存分配参数

2.1设置最大堆内存

-Xmx 指的是新生代和老年代的大小之和的最大值

public static void main(String[] args) {
        Vector v=new Vector();
        for(int i=0;i<10;i++){
            byte[] b=new byte[1024*1024];
            v.add(b);
            System.out.println(i+"M is allocated");
        }
        System.out.println("Max memory:"+Runtime.getRuntime().maxMemory()/1024/1024+"M");
    }

2.2设置最小堆内存

-Xms

2.3设置新生代

-Xmn 一般设置为整个堆空间的1/4到1/3左右

在Hot Spot虚拟机中，-XX：NewSize 用于设置新生代的初始大小，-XX：MaxNewSize用于设置新生代的最大值。但通常情况下，只设置-Xmn可以满足绝大部分应用的需求。-Xmn的效果等同于设置了相同的-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize.

若设置不同的-XX:NewSize 和-XX:MaxNewSize可能会导致内存震荡，从而产生不必要的系统开销

2.4设置持久代（java8已经没有了）

持久代（方法区）不属于堆的一部分。在Hot Spot虚拟机中，使用-XX:MaxPermSize可以设置持久代的最大值，使用-XX:PermSize可以设置持久代的初始大小。

2.5设置线程栈

-Xss -Xss1M，即设置每个线程拥有1MB的栈空间

2.6堆的比例分配

-XX:SurvivorRatio:用来设置新生代中，eden空间和s0空间的比例关系。s0和s1是相同的，职能也是一样的，并在Minor GC后，会互换角色。

-XX:NewRatio：用来设置新生代和老年代的比例

-XX:MinHeapFreeRatio:设置堆空间最小空闲比例。当堆空间的空闲内存小于这个数值时，JVM便会扩展堆空间

-XX:MaxHeapFreeRatio:设置堆空间最大空闲比例。当堆空间的空闲内存大于这个数值时，便会压缩堆空间，得到一个较小的堆。

-XX:TargetSurvivorRatio:设置survivior区的可使用率。当survivior区的空间使用率达到这个数值时，会将对象送入老年代。

3.垃圾收集基础

3.1垃圾回收算法

1.引用计数法（Reference Counting)

无法处理循环引用的问题，不适合用于JVM的垃圾回收。

2.标记-清除算法（Mark-Sweep）

先通过根节点标记所有可达对象，然后清除所有不可达对象，完成垃圾回收。

3.复制算法（Copying）（适用于新生代）

比较适用于新生代。因为垃圾对象通常多于存活对象，

​ 在java的新生代串行垃圾回收器中，使用了复制算法的思想。新生代分为eden、from、to3个部分。其中from和to空间可以视为复制的两块大小相同、地位相等，且可进行角色互换的空间块。用于存放未被回收的对象。

​ 在垃圾回收时，eden中存活对象会被复制到未使用的survivor中（假设是to），正在使用的survivor（假设是from）中年轻对象也会被复制到to空间中（大对象，或者老年对象会直接进入老年代，如果to空间已满，则对象也会直接进入老年代）。此时，eden和from中的剩余对象就是垃圾对象，可以直接清空，to空间则存放此次回收后的存活的对象。

4.标记-压缩算法（Mark-Compact）（适用于老年代）

首先从根节点开始，对所有可达对象做一次标记。清理未标记的对象，将所有存活的对象压缩到内存的一端。之后，清理边界外所有的空间。

5.增量算法（Incremental Collecting）

6.分代（Generational Collecting)

3.2垃圾收集器的类型

分类	垃圾回收器类型
线程数	串行垃圾回收器
	并行垃圾回收器
工作模式	并发垃圾回收器
	独占垃圾回收器
碎片处理	压缩垃圾回收器
	非压缩垃圾回收器
分代	新生代垃圾处理器
	老年代垃圾处理器

3.3评价GC策略的指标

1.吞吐量：指在应用程序的生命周期内，应用程序所花费的时间和系统总运行时间的比值。系统总运行时间=应用程序耗时+GC耗时。

2.垃圾回收器负载：和吞吐量相反，垃圾回收器负载指垃圾回收器耗时与系统运行总时间的比值。

3.停顿时间：指垃圾回收器正在运行时，应用程序的暂停时间。对于独占回收器而言，停顿时间可能会比较长。使用并发的回收器时，由于垃圾回收和应用程序交替运行，程序的停顿时间会很短，但是，由于其效率很可能不如独占垃圾回收器，故系统的吞吐量可能会较低。

4.垃圾回收频率：指垃圾回收器多长时间会运行一次。一般来说，对于固定的应用而言，垃圾回收器的频率应该是越低越好。通常增大堆空间可以有效降低垃圾回收发生的频率，但是可能会增加回收产生的停顿时间

5.反应时间：指当一个对象称为垃圾后，多长时间内，它所占据的内存空间会被释放。

6.堆分配：不同的垃圾回收器对堆内存的分配方式可能是不同的。

3.4新生代串行收集器

两个特点:第一，仅仅使用单线程进行垃圾回收；第二，是独占式的垃圾回收。

在Hot Spot虚拟机中，使用-XX：+UseSerialGC参数可以指定新生代串行收集器和老年代串行收集器。当JVM在Client模式下运行时，它是默认的垃圾收集器。

3.5老年代串行收集器

标记-压缩算法。

启用老年代串行回收器，

-XX:+UseSerialGC：新生代、老年代都使用串行回收器

-XX:+UseParNewGC:新生代使用并行收集器，老年代使用串行收集器

-XX:+UseParallelGC:新生代使用并行回收收集器，老年代使用串行收集器

3.6并行收集器

-XX:+UseParNewGC:新生代使用并行收集器，老年代使用串行回收器

-XX:+UseConcMarkSweepGC:新生代使用并行收集器，老年代使用CMS

3.7新生代并行回收（Parallel Scavenge）收集器

-XX:+UseParallelGC:新生代使用并行回收收集器，老年代使用串行收集器

-XX:+UseParallelOldGC:新生代和老年代都使用并行回收处理器

1.-XX:MaxGCPauseMillis:设置最大垃圾收集停顿时间，它的值是一个大于0的整数。

2.-XX:GCTimeRatio:设置吞吐量大小，它的值是一个0~100之间的整数

3.8老年代并行回收收集器

-XX:+UseParallelOldGC

3.9 CMS收集器

CMS收集器主要关注于系统停顿时间。CMS是Concurrent Mark Sweep,意为并发标记清除

3.10 G1收集器（Garbage First）

与CMS收集器相比，G1收集器是基于标记-压缩算法的。

启用G1回收器：

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseG1GC

设置G1回收器的目标停顿时间：

-XX:MaxGCPauseMillis=50

-XX:GCPauseIntervalMillis=200

4.常用调优案例和方法

4.1将新对象预留在新生代

4.2大对象进入老年代

4.3设置对象进入老年代的年龄

4.4稳定与震荡的堆大小

4.5吞吐量优先案例

4.6使用大页案例

-XX:LargePageSizeInBytes:设置大页的大小

4.7降低停顿案例

5.实用JVM参数

1.JIT编译参数

2.堆快照

3.错误处理

4.取得GC信息

5.类和对象跟踪

6.控制GC

7.选择类校验器

8.Solaris下线程控制

9.使用大页

10.压缩指针

六、Java性能调优工具

1.Linux命令行工具

1.top命令

2.sar命令

3.vmstat命令

4.iostat命令

5.pidstat工具

2.JDK命令行工具

2.1jps命令

参数 -q 指定jps只输出进程ID，而不输出类的短名称

-m 用于输出传递给Java进程（主函数）的参数

-l 用于输出主函数的完整路径

-v 可以显示传递给JVM的参数

2.2jstat命令

jstat -<option> [-t] [-h<lines>] <vmid> [<interval> [<count>]]

选项option可以由以下值构成：

-class：显示ClassLoader的相关信息

-compiler：显示JIT编译的相关信息

-GC：显示与GC相关的堆信息

-gccapacity：显示各个代的容量及使用情况

-gccause：显示垃圾收集相关信息（同-gcutil），同时显示最后一次或当前正在发生的垃圾收集的诱发原因

-gcnew：显示新生代信息

-gcnewcapacity：显示新生代大小与使用情况

-gcold：显示老年代和永久代的信息

-gcoldcapacity：显示老年代的大小

-gcpermcapacity：显示永久代的大小

-gcutil：显示垃圾收集信息

-printcompilation：输出JIT编译的方法信息

-t参数可以在输出信息前加上一个Timestamp列，显示程序的运行时间。

-h参数可以在周期性数据输出时，输出多少行数据后，跟着输出一个表头信息。

interval参数用于指定输出统计数据的周期，单位为毫秒

count用于指定一共输出多少次数据

C:UsersAdministrator>jstat -class -t 5804 1000 3
Timestamp       Loaded  Bytes  Unloaded  Bytes     Time
         5027.2  49553 101341.9      348   477.9      81.22
         5028.2  49553 101341.9      348   477.9      81.22
         5029.1  49553 101341.9      348   477.9      81.22

Loaded:载入了类的数量，Bytes：载入类的合计大小，Unloaded：卸载类的数量，第二个Bytes：卸载类的大小，Time：在加载和卸载类上所花的时间

C:UsersAdministrator>jstat -compiler -t 5804
Timestamp       Compiled Failed Invalid   Time   FailedType FailedMethod
         5219.5    29476      4       0   153.95          1 org/apache/xerces/im
pl/XMLNSDocumentScannerImpl scanStartElement

Compiled:编译任务执行的次数，Failed：编译失败的次数，Invalid：编译不可用的次数，Time：编译的总耗时，FailedType：最后一次编译失败的类型，FailedMethod：最后一次编译失败的类名和方法名

C:UsersAdministrator>jstat -gc 5804
 S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       MC     MU
   CCSC   CCSU   YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT
15872.0 15872.0  0.0   299.3  127360.0 112589.0  318040.0   132609.4  286800.0 2
68977.1 40824.0 36673.9    213    2.469  19      1.275    3.744

S0C:s0(from)的大小（KB）

S1C：s1（from）的大小（KB）

S0U：s0（from）已使用的空间（kb）

S1U：s1（from）已使用的空间（kb）

EC：eden区的大小

EU：eden区的使用空间（KB）

OC：老年代大小

OU：老年代已经使用空间

PC：永久区大小

PU：永久区使用空间

YGC：新生代GC次数

YGCT：新生代GC耗时

FGC：FullGC次数

FGCT：FullGC耗时

GCT：GC总耗时

C:UsersAdministrator>jstat -gccapacity 5804
 NGCMN    NGCMX     NGC     S0C   S1C       EC      OGCMN      OGCMX       OGC
       OC       MCMN     MCMX      MC     CCSMN    CCSMX     CCSC    YGC    FGC
​
 43648.0 256000.0 159104.0 15872.0 15872.0 127360.0    87424.0   512000.0   3180
40.0   318040.0      0.0 1296384.0 286800.0      0.0 1048576.0  40824.0    216
  19

NGCMN：新生代最小值（KB）

NGCMX：新生代最大值

NGC：当前新生代大小

OGCMN：老年代最小值

OGCMX：老年代最大值

PGCMN：永久代最小值

PGCMX：永久代最大值

C:UsersAdministrator>jstat -gccause 5804
  S0     S1     E      O      M     CCS    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT
  LGCC                 GCC
  0.00   2.54  42.82  41.70  93.79  89.83    217    2.502    19    1.275    3.77
7 Allocation Failure   No GC

LGCC:上次GC的原因

GCC：当前GC的原因

C:UsersAdministrator>jstat -gcnew 5804
 S0C    S1C    S0U    S1U   TT MTT  DSS      EC       EU     YGC     YGCT
15872.0 15872.0    0.0  403.3  6   6 7936.0 127360.0  99925.4    217    2.502

TT:新生代对象晋升到老年代对象的年龄

MTT：新生代对象晋升到老年代对象的年龄最大值

DSS：所需的survior区大小

C:UsersAdministrator>jstat -gcnewcapacity 5804
  NGCMN      NGCMX       NGC      S0CMX     S0C     S1CMX     S1C       ECMX
    EC      YGC   FGC
   43648.0   256000.0   159104.0  25600.0  15872.0  25600.0  15872.0   204800.0
  127360.0   218    19

S0CMX：s0区的最大值

S1CMX：s1区的最大值

ECMX：eden区的最大值

C:UsersAdministrator>jstat -gcutil 5804
  S0     S1     E      O      M     CCS    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT
​
  2.24   0.00  61.90  41.70  93.79  89.83    218    2.511    19    1.275    3.78
6

S0:s0区使用的百分比

S1:s1区使用的百分比

E:eden区使用的百分比

O：Old区使用的百分比

P:永久区使用的百分比

2.3jinfo命令

jinfo <option> <pid>

-flag <name>:打印指定JVM的参数值

-flag [+|-]<name>:设置指定JVM参数的布尔值

-flag <name>=<value>:设置指定JVM参数的值

2.4jmap命令

可以生成JAVA应用程序的堆快照和对象的统计信息

2.5jhat命令

用于分析Java应用程序的堆快照内容

2.6jstack命令

用于导出Java应用程序的线程堆栈

jstack [-l] <pid>

2.7jstatd命令

2.8hprof工具

2.9jconsole