极客时间高级Java工程师体系课2.0

高级Java性能优化的七个方向

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1、复用优化

在写代码的时候，你会发现有很多重复的代码可以提取出来，做成公共的方法。这样，在下次用的时候，就不用再费劲写一遍了。

这种思想就是复用。上面的描述是编码逻辑上的优化，对于数据存取来说，有同样的复用情况。无论是在生活中还是编码中，重复的事情一直在发生，如果没有复用，工作和生活就会比较累。

在软件系统中，谈到数据复用，我们首先想到的就是缓冲和缓存。注意这两个词的区别，它们的意义是完全不同的，很多同学很容易搞混，在这里简单地介绍一下。

缓冲（Buffer），常见于对数据的暂存，然后批量传输或者写入。多使用顺序方式，用来缓解不同设备之间频繁地、缓慢地随机写，缓冲主要针对的是写操作。

缓存（Cache），常见于对已读取数据的复用，通过将它们缓存在相对高速的区域，缓存主要针对的是读操作。

与之类似的，是对于对象的池化操作，比如数据库连接池、线程池等，在 Java 中使用得非常频繁。由于这些对象的创建和销毁成本都比较大，我们在使用之后，也会将这部分对象暂时存储，下次用的时候，就不用再走一遍耗时的初始化操作了。

2、计算优化
并行执行
现在的 CPU 发展速度很快，绝大多数硬件，都是多核。要想加快某个任务的执行，最快最优的解决方式，就是让它并行执行。并行执行有以下三种模式。

第一种模式是多机，采用负载均衡的方式，将流量或者大的计算拆分成多个部分，同时进行处理。比如，Hadoop 通过 MapReduce 的方式，把任务打散，多机同时进行计算。

第二种模式是采用多进程。比如 Nginx，采用 NIO 编程模型，Master 统一管理 Worker 进程，然后由 Worker 进程进行真正的请求代理，这也能很好地利用硬件的多个 CPU。

第三种模式是使用多线程，这也是 Java 程序员接触最多的。比如 Netty，采用 Reactor 编程模型，同样使用 NIO，但它是基于线程的。 Boss 线程用来接收请求，然后调度给相应的 Worker 线程进行真正的业务计算。

像 Golang 这样的语言，有更加轻量级的协程（Coroutine），协程是一种比线程更加轻量级的存在，但目前在 Java 中还不太成熟，就不做过多介绍了，但本质上，它也是对于多核的应用，使得任务并行执行。

变同步为异步
再一种对于计算的优化，就是变同步为异步，这通常涉及编程模型的改变。同步方式，请求会一直阻塞，直到有成功，或者失败结果的返回。虽然它的编程模型简单，但应对突发的、时间段倾斜的流量，问题就特别大，请求很容易失败。

异步操作可以方便地支持横向扩容，也可以缓解瞬时压力，使请求变得平滑。同步请求，就像拳头打在钢板上；异步请求，就像拳头打在海绵上。你可以想象一下这个过程，后者肯定是富有弹性的，体验更加友好。

惰性加载
最后一种，就是使用一些常见的设计模式来优化业务，提高体验，比如单例模式、代理模式等。举个例子，在绘制 Swing 窗口的时候，如果要显示比较多的图片，就可以先加载一个占位符，然后通过后台线程慢慢加载所需要的资源，这就可以避免窗口的僵死。

3、结果集优化
接下来介绍一下对结果集的优化。举个比较直观的例子，我们都知道 XML 的表现形式是非常好的，那为什么还有 JSON 呢？除了书写要简单一些，一个重要的原因就是它的体积变小了，传输效率和解析效率变高了，像 Google 的 Protobuf，体积就更小了一些。虽然可读性降低，但在一些高并发场景下（如 RPC），能够显著提高效率，这是典型的对结果集的优化。

这是由于我们目前的 Web 服务，都是 C/S 模式。数据从服务器传输到客户端，需要分发多份，这个数据量是急剧膨胀的，每减少一小部分存储，都会有比较大的传输性能和成本提升。

像 Nginx，一般都会开启 GZIP 压缩，使得传输的内容保持紧凑。客户端只需要一小部分计算能力，就可以方便解压。由于这个操作是分散的，所以性能损失是固定的。

了解了这个道理，我们就能看到对于结果集优化的一般思路，你要尽量保持返回数据的精简。一些客户端不需要的字段，那就在代码中，或者直接在 SQL 查询中，就把它去掉。

对于一些对时效性要求不高，但对处理能力有高要求的业务。我们要吸取缓冲区的经验，尽量减少网络连接的交互，采用批量处理的方式，增加处理速度。

结果集合很可能会有二次使用，你可能会把它加入缓存中，但依然在速度上有所欠缺。这个时候，就需要对数据集合进行处理优化，采用索引或者 Bitmap 位图等方式，加快数据访问速度。

4、资源冲突优化
我们在平常的开发中，会涉及很多共享资源。这些共享资源，有的是单机的，比如一个 HashMap；有的是外部存储，比如一个数据库行；有的是单个资源，比如 Redis 某个 key 的Setnx；有的是多个资源的协调，比如事务、分布式事务等。

现实中的性能问题，和锁相关的问题是非常多的。大多数我们会想到数据库的行锁、表锁、Java 中的各种锁等。在更底层，比如 CPU 命令级别的锁、JVM 指令级别的锁、操作系统内部锁等，可以说无处不在。

只有并发，才能产生资源冲突。也就是在同一时刻，只能有一个处理请求能够获取到共享资源。解决资源冲突的方式，就是加锁。再比如事务，在本质上也是一种锁。

按照锁级别，锁可分为乐观锁和悲观锁，乐观锁在效率上肯定是更高一些；按照锁类型，锁又分为公平锁和非公平锁，在对任务的调度上，有一些细微的差别。

对资源的争用，会造成严重的性能问题，所以会有一些针对无锁队列之类的研究，对性能的提升也是巨大的。

5、算法优化
算法能够显著提高复杂业务的性能，但在实际的业务中，往往都是变种。由于存储越来越便宜，在一些 CPU 非常紧张的业务中，往往采用空间换取时间的方式，来加快处理速度。

算法属于代码调优，代码调优涉及很多编码技巧，需要使用者对所使用语言的 API 也非常熟悉。有时候，对算法、数据结构的灵活使用，也是代码优化的一个重要内容。比如，常用的降低时间复杂度的方式，就有递归、二分、排序、动态规划等。

一个优秀的实现，比一个拙劣的实现，对系统的影响是非常大的。比如，作为 List 的实现，LinkedList 和 ArrayList 在随机访问的性能上，差了好几个数量级；又比如，CopyOnWriteList 采用写时复制的方式，可以显著降低读多写少场景下的锁冲突。而什么时候使用同步，什么时候是线程安全的，也对我们的编码能力有较高的要求。

这部分的知识，就需要我们在平常的工作中注意积累，后面的课时中，也会挑比较重要的知识点穿插讲解。

6、高效实现
在平时的编程中，尽量使用一些设计理念良好、性能优越的组件。比如，有了 Netty，就不用再选择比较老的 Mina 组件。而在设计系统时，从性能因素考虑，就不要选 SOAP 这样比较耗时的协议。再比如，一个好的语法分析器（比如使用 JavaCC），其效率会比正则表达式高很多。

总之，如果通过测试分析，找到了系统的瓶颈点，就要把关键的组件，使用更加高效的组件进行替换。在这种情况下，适配器模式是非常重要的。这也是为什么很多公司喜欢在现有的组件之上，再抽象一层自己的；而当在底层组件进行切换的时候，上层的应用并无感知。

7、JVM 优化
因为 Java 是运行在 JVM 虚拟机之上，它的诸多特性，就要受到 JVM 的制约。对 JVM 虚拟机进行优化，也能在一定程度上能够提升 JAVA 程序的性能。如果参数配置不当，甚至会造成 OOM 等比较严重的后果。

目前被广泛使用的垃圾回收器是 G1，通过很少的参数配置，内存即可高效回收。CMS 垃圾回收器已经在 Java 14 中被移除，由于它的 GC 时间不可控，有条件应该尽量避免使用。

JVM 性能调优涉及方方面面的取舍，往往是牵一发而动全身，需要全盘考虑各方面的影响。所以了解 JVM 内部的一些运行原理，还是特别重要的，它有益于我们加深对代码更深层次的理解，帮助我们书写出更高效的代码。

以上就是代码优化的 7 个大方向，我们通过简要的介绍，让大家对性能优化的内容有了大体的了解。这7大方向是代码优化的最主要方向，当然，性能优化还包含数据库优化、操作系统优化、架构优化等其他一些内容，这些不是我们的重点，在后面的文章中，我们也只做简要的介绍。

极客时间高级Java - JVM 源码分析之 JVM 启动流程

JVM 源码分析之 JVM 启动流程

执行 Java 类的 main 方法，程序就能运行起来，main 方法的背后，虚拟机究竟发生了什么？如果你对这个感兴趣，相信本文会给你一个答案，本文分析的 openjdk 版本为 openjdk-7-fcs-src-b147-27

class BootStrap {
public static void main(String[] args) {
for (String str : args) {
System.out.println(str);
}
}}
java BootStrap -Xms6G -Xmx8G -Xmn3G -Xss512k
-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC
虚拟机的启动入口位于share/tools/launcher/java.c的 main 方法，整个流程分为如下几个步骤：

1、配置 JVM 装载环境

2、解析虚拟机参数

3、设置线程栈大小

4、执行 Java main 方法

1、配置 JVM 装载环境
Java 代码执行时需要一个 JVM 环境，JVM 环境的创建包括两部分：JVM.dll 文件的查找和装载。

JVM.dll 文件的查找
通过CreateExecutionEnvironment方法实现，根据当前 JRE 环境的路径和系统版本寻找jvm.cfg文件，windows 实现如下：

大概实现逻辑：

1、GetJREPath查找当前 JRE 环境的所在路径；

2、ReadKnownVms读取JRE路径\lib\ARCH(CPU构架)\JVM.cfg文件，其中ARCH(CPU构架)通过GetArch方法获取，在 window 下有三种情况：amd64、ia64 和 i386；

3、CheckJvmType确定当前 JVM 类型，先判断是否通过-J、-XXaltjvm=或-J-XXaltjvm=参数指定，如果没有，则读取 JVM.cfg 文件中配置的第一个类型；

4、GetJVMPath根据上一步确定的 JVM 类型，找到对应的 JVM.dll 文件；

JVM.dll 文件的装载
初始化虚拟机中的函数调用，即通过 JVM 中的方法调用 JVM.dll 文件中定义的函数，实现如下：

1、LoadLibrary方法装载 JVM.dll 动态连接库；

2、把 JVM.dll 文件中定义的函数JNI_CreateJavaVM和JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs绑定到 InvocationFunctions 变量的CreateJavaVM和GetDefaultJavaVMInitArgs函数指针变量上；

2、虚拟机参数解析
装载完 JVM 环境之后，需要对启动参数进行解析，其实在装载 JVM 环境的过程中已经解析了部分参数，该过程通过ParseArguments方法实现，并调用AddOption方法将解析完成的参数保存到JavaVMOption中，JavaVMOption结构实现如下：

AddOption 方法实现如下：

这里对-Xss参数进行特殊处理，并设置 threadStackSize，因为参数格式比较特殊，其它是 key/value 键值对，它是-Xss512的格式。后续Arguments类会对JavaVMOption数据进行再次处理，并验证参数的合理性。

参数处理
Arguments::parse_each_vm_init_arg

方法负责处理经过解析过的 JavaVMOption 数据，部分实现如下：

1、-Xmn：设置新生代的大小 NewSize 和 MaxNewSize；

2、-Xms：设置堆的初始值 InitialHeapSize，也是堆的最小值；

3、-Xmx：设置堆的最大值 MaxHeapSize；

参数验证
Arguments::check_gc_consistency

方法负责验证虚拟机启动参数中配置 GC 的合理性，实现如下：

1、如果参数为-XX:+UseSerialGC -XX:+UseParallelGC，由于 UseSerialGC 和 UseParallelGC 不能兼容，JVM 启动时会抛出错误信息；

2、如果参数为-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC，其中 UseConcMarkSweepGC 和 UseParNewGC 可以兼容，JVM 可以正常启动；

3、设置线程栈大小

如果启动参数未设置-Xss，即 threadStackSize 为 0，则调用 InvocationFunctions 的GetDefaultJavaVMInitArgs方法获取 JavaVM 的初始化参数，即调用 JVM.dll 函数JNI_GetDefaultJavaVMInitArgs，定义在share\vm\prims\jni.cpp，实现如下：

ThreadStackSize定义在globals.hpp中，根据当前系统类型，加载对应的配置文件，所以在不同的系统中，ThreadStackSize的默认值也不同。

4、执行 Java main 方法

线程栈大小确定后，通过ContinueInNewThread方法创建新线程，并执行 JavaMain 函数，JavaMain 函数的大概流程如下：

1、新建 JVM 实例
InitializeJVM方法调用 InvocationFunctions 的CreateJavaVM方法，即调用 JVM.dll 函数

JNI_CreateJavaVM，新建一个 JVM 实例，该过程比较复杂，会在后续文章进行分析；

2、加载主类的 class
Java 运行方式有两种：jar 方式和 class 方式。

jar 方式

1、调用GetMainClassName方法找到META-INF/MANIFEST.MF文件指定的 Main-Class 的主类名；

2、调用LoadClass方法加载主类的 class 文件；

class 方式

1、调用NewPlatformString方法创建类名的 String 对象；

2、调用LoadClass方法加载主类的 class 文件；

3、查找 main 方法
通过GetStaticMethodID方法查找指定方法名的静态方法，实现如下：

最终调用JVM.dll函数jni_GetStaticMethodID实现

其中get_method_id方法根据类文件对应的 instanceKlass 对象查找指定方法。

4、执行 main 方法

1、重新创建参数数组；

2、其中 mainID 是 main 方法的入口地址，CallStaticVoidMethod方法最终调用JVM.dll中的jni_CallStaticVoidMethodV函数，实现如下

jni_invoke_static 实现如下：

最终通过JavaCalls::call执行 main 方法。