Java 性能调优实战

心得

扎实的计算机基础

调优的对象不是单一的应用服务，而是错综复杂的系统。应用服务的性能可能与操作系统、网络、数据库等组件相关，所以需要储备计算机组成原理、操作系统、网络协议以及数据库等基础知识。具体的性能问题往往还与传输、计算、存储数据等相关，那还需要储备数据结构、算法以及数学等基础知识。

透过源码了解技术本质

深入源码，通过分析来学习、总结一项技术的实现原理和优缺点，这样我们就能更客观地去学习一项技术，还能透过源码来学习牛人的思维方式，收获更好的编码实现方式。

追问&总结

性能

响应时间
吞吐量
- 磁盘
- 网络
  - CPU
  - 网卡
  - 防火墙

性能瓶颈

CPU
内存
磁盘 I/O
网络
异常
- Java 所采用的异常堆栈处理模式
数据库
锁竞争

性能测试报告

接口的平均、最大和最小吞吐量
响应时间
服务器 CPU、内存、I/O、网络 I/O 使用率
JVM GC 频率

调优策略

代码优化
设计优化
算法优化
时间换空间/空间换时间
参数调优

Java 程序性能优化

String.intern()
正则表达式
- 少用贪婪模式，多用独占模式
- 减少分支选择
- 减少捕获嵌套

RPC

选择合适的通信协议
使用单一长连接
优化 Socket 通信
自定义报文
调整 Linux TCP 参数设置选项

多线程

Lock / CLH

CAS

LongAdder 的原理就是降低操作共享变量的并发数，也就是将对单一共享变量的操作压力分散到多个变量值上，将竞争的每个写线程的 value 值分散到一个数组中，不同线程会命中到数组的不同槽中，各个线程只对自己槽中的 value 值进行 CAS 操作，最后在读取值的时候会将原子操作的共享变量与各个分散在数组的 value 值相加，返回一个近似准确的数值。

Context Switch

优化 wait/notify 使用，减少上下文切换
合理设置线程池大小，避免创建过多线程
使用协程实现非阻塞等待
减少 JVM 垃圾回收

JVM

JVM 启动流程

JVM 向操作系统申请内存，JVM 第一步就是通过配置参数或者默认配置参数向操作系统申请内存，根据内存大小找到具体的内存分配表，然后把内存段的起始地址和终止地址分配给 JVM，后续进行内部分配。
JVM 获得内存空间后，会根据配置参数分配堆、栈以及方法区的内存大小。
class 文件加载、验证、准备以及解析，其中准备阶段会为类的静态变量分配内存，初始化为系统的初始值
初始化阶段，JVM 首先会执行构造器 <clinit> 方法，编译器会在 .java 文件被编译成 .class 文件时，收集所有类的初始代码，包括静态变量赋值语句、静态代码块、静态方法，集合在一起组成 <clinit>()
执行方法，启动 main 线程，执行 main 方法，开始执行第一行代码。

JIT

编译后的字节码文件主要包括常量池和方法表集合。

方法内联
- 通过设置 JVM 参数来减小热点阈值或增加方法体阈值，以便更多的方法可以进行内联【占用内存会变高】
- 避免在一个方法中堆积太多代码，多使用小方法体
- 尽量使用 final, private, static 关键字修饰方法，编码方法会因为继承，需要额外的检查。
逃逸分析
- 栈上分配
- 锁消除
- 标量替换【若一个对象不会被外部访问、且可以被拆分，程序真正执行时可能就不会创建这个对象，而直接使用其成员变量】

设计模式

单例模式

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public final class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

上述实现单例的代码中，使用了 static 修饰成员变量 instance，所以该变量会在类初始化的过程中被收集进类构造器即 <clinit> 方法中。在多线程场景下，JVM 会保证只有一个线程能执行该类的 <clinit> 方法，其它线程将会被阻塞等待。

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public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public List<String> list = null;

    private Singleton() {
        this.list = new ArrayList<>();
    }
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }
}

MySQL

sql 语句优化

无索引、索引失效导致慢查询
等待锁
sql 语句不合适
1. select *
2. 在大数据表中使用 limit m, n 分页查询
3. 对非索引字段进行排序

优化前步骤

通过 explain 分析 sql 执行计划
1. select_type: simple, primary, union, subquery
2. partitions
3. type: system > const > eq_ref > ref > range > index > ALL
通过 show profile 分析 sql 执行性能

如何优化

分页查询优化 - 子查询
优化 select count(*)
1. explain 获取近似值
2. 额外缓存
优化 select * - 查询指定字段

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set global slow_query_log='ON'; // 开启慢 SQL 日志
set global slow_query_log_file='/var/lib/mysql/test-slow.log';// 记录日志地址
set global long_query_time=1; // 最大执行时间

覆盖索引优化查询
自增字段做主键 有序，可预测，范围
前缀索引优化
避免索引失效 对索引查询列进行额外操作

死锁问题

尽量按照固定的顺序来处理数据库记录
在允许幻读和不可重复读的情况下，尽量使用 RC 事务隔离级别，可避免 gap lock 导致的死锁
尽量使用主键更新
避免长事务
设置锁等待超时参数【innodb_lock_wait_timeout】

常用命令

`vmstat`

r：等待运行的进程数；
b：处于非中断睡眠状态的进程数；
swpd：虚拟内存使用情况；
free：空闲的内存；
buff：用来作为缓冲的内存数；
si：从磁盘交换到内存的交换页数量；
so：从内存交换到磁盘的交换页数量；
bi：发送到块设备的块数；
bo：从块设备接收到的块数；
in：每秒中断数；
cs：每秒上下文切换次数；
us：用户 CPU 使用时间；
sy：内核 CPU 系统使用时间；
id：空闲时间；
wa：等待 I/O 时间；
st：运行虚拟机窃取的时间。

`pidstat`

u：默认的参数，显示各个进程的 CPU 使用情况；
r：显示各个进程的内存使用情况；
d：显示各个进程的 I/O 使用情况；
w：显示每个进程的上下文切换情况；
p：指定进程号；
t：显示进程中线程的统计信息。

`jstat`

class：显示 ClassLoad 的相关信息
compiler：显示 JIT 编译的相关信息
gc：显示和 gc 相关的堆信息
gccapacity：显示各个代的容量以及使用情况
gcmetacapacity：显示 Metaspace 的大小
gcnew：显示新生代信息
gcnewcapacity：显示新生代大小和使用情况
gcold：显示老年代和永久代的信息
gcoldcapacity ：显示老年代的大小
gcutil：显示垃圾收集信息
gccause：显示垃圾回收的相关信息（通 -gcutil），同时显示最后一次或当前正在发生的垃圾回收的诱因
printcompilation：输出 JIT 编译的方法信息

References

Java 性能调优实战 - 极客时间