Java性能权威指南-总结13
Java性能权威指南-总结13
- 堆内存最佳实践
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- 减少内存使用
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- 减少对象大小
- 延迟初始化
堆内存最佳实践
减少内存使用
减少对象大小
对象会占用一定数量的堆内存，所以要减少内存使用，最简单的方式就是让对象小一些。考虑运行程序的机器的内存限制，增加10%的堆有可能是无法做到的，但是堆中一半对象的大小减少20%,能够实现同样的目标。
减少对象大小有两种方式：减少实例变量的个数(效果很明显),或者减少实例变量的大小(效果没那么明星)。下表列出了Java中不同类型实例变量的大小：
这里的引用类型指的是指向任何类型Java对象(包括类或数组的实例)的引用。这个空间存储的只是参数本身。如果对象中包含指向其他对象的引用，其大小会因想考虑Shallow Size,Deep Size还是Retained size(保留大小)而有所不同，不过其中都会包含一些隐藏的对象头字段。对于普通对象，对象头字段在32位JVM上占8字节，在64位JVM上占16字节(跟堆大小无关)。对于数组，对象头字段在32位JVM以及堆小于32GB的64位JVM上占16字节，其他情况下是64字节。
例如，考虑这几个类定义：
public class A {
private int i;
}
public class B {
private int i
private Locale l = Locale.US;
}
public class C {
private int i;
private ConcurrentHashMap chm = new ConcurrentHashMap();
}
在堆小于32GB的64位Java7JVM上，这几个类的实例实际大小如下表所示：
在B类中，定义Locale应用将对象的大小增加了8字节，但至少在这个例子中，实际的Locale对象是与其他一些类共享的。如果该类实际上从来没用到这个Locale对象，那将这个实例包含进来，只会浪费引用所占的额外空间。当然，如果应用创建了大量B类的实例，还是会积少成多。
另一方面，定义并创建一个ConcurrentHashMap,除了对象应用会消耗额外的字节，这个HashMap对象还会增加200字节。如果这个HashMap从来不用，C的实例就非常浪费。
仅定义需要的实例变量，这是节省对象空间的一种方式。还有一种效果不那么明显的方案，就是使用更小的数据类型。如果某个类需要记录8个可能的状态之一，用一个字节就可以了，而不需要一个int,这就可能会节省3字节。使用float代替double,int代替long,诸如此类，都可以帮助节省内存，特别是在那些会频繁地实例化的类中。使用大小适当的集合类(或者使用简单的实例变量代替集合类)可以达到类似的节省空间的目的。
对象对齐与对象大小
上表中的类，都包含一个额外的整型字段，讨论中并没有引用到。为什么要放这么一个变量呢?
事实上，这个变量的目的是让讨论更容易理解：B类比A类多8字节，正是所期望的(这样更明确)。
这掩盖了一个重要细节：为使对象大小是8字节的整数倍(对齐),总是会有填充操作。如果在A类中没有定义i,A的实例仍然会消耗16字节，其中4字节只是用于填充，
使得对象大小是8的整数倍，而不是用于保存i。如果没有定义i,B类的实例将仅消耗16字节，和A一样，即便B中还有额外的对象引用。B中仅包含一个额外的4字节引用，
为什么其实例会比A的实例多8字节呢，也是填充的问题。
JVM也会填充字节数不规则的对象，这样不管底层架构最适合什么样的地址边界，对象的数组都能优雅地适应。
因此，去掉某个实例字段或者减少某个字段的大小，未必能带来好处，不过没有理由不这么做。
去掉对象中的实例字段，有助于减少对象的大小，不过还有一个灰色地带：有些字段会保存基于一些数据计算而来的结果，这该如何处理呢?这就是计算机科学中典型的时间空间权衡问题：是消耗内存(空间)保存这个值更好，还是在需要时花时间(CPU周期)计算这个值更好?不过在Java中，权衡还会考虑CPU时间，因为额外的内存占用会引发GC消耗更多CPU周期。
比如，String的哈希码值(hashcode)就是对一个涉及该字符串中每个字符的式子求和计算而来的；计算会消耗一点时间。因此，String类会把这个值存在一个实例变量中，这样哈希码值只需要计算一次：最后，与不存储这个值而节省的内存空间相比，重用几乎总能获得更好的性能。另一方面，大部分类的toString()方法不会把对象的字符串表示保存在一个实例变量中，因为实例变量及其引用的字符串都会消耗内存。相反，与保存字符串引用所需的内存相比，计算一个新的字符串所花的时间通常不是很多，性能更好。(还有一个因素，String对象的哈希码值用的较为频繁，而对象的toString()表示使用却很少。)当然，这种情况必定是因人而异的。就时间/空间的连续体而言，究竟是使用内存来存储值，还是重新计算值，都是取决于许多具体因素的。如果目标是减少GC,则更倾向于采用重新计算。
快速小结
- 减小对象大小往往可以改进GC效率。
- 对象大小未必总能很明显地看出来：对象会被填充到8字节的边界，对象引用的大小在32位和64位JVM上也有所不同。
- 对象内部即使为null的实例变量也会占用空间。
延迟初始化
很多时候，决定一个特定的实例变量是否需要并不是非黑即白的问题。某个特定的类可能只有10%时间需要一个Calendar对象，但是Calendar对象创建成本很高，所以保留这个对象备用，而不是需要的时候再重新创建，绝对是有意义的。这种情况下，延迟初始化可以带来帮助。
到目前为止，所作讨论的前提是假定实例变量很早就会初始化。需要使用一个Calendar对象(不需要线程安全)的类看上去可能是这样的：
public class CalDateInitialization {
private Calendar calendar = Calendar.getInstance();
private DateFormat df = DateFormat.getDateInstance();
private void report(Nriter w) {
w.write("On" + df.format(calendar.getTine()) + ":" + this);
}
}
要延迟初始化其字段，在计算性能上会有一点小小的损失，代码每次执行时都必须测试变量的状态：
public class CalDateInitialization {
private Calendar calendar;
private DateFormat df;
private void report(Writer w) {
if (calendar == null){
calendar = Calendar.getInstance();
df = DateFormat.getDateInstance();
}
w.write("On" + df.format(calendar.getTime()) + ":" + this);
}
}
如果问题中的这个操作使用不太频繁，那延迟初始化最适合：如果操作很常用，实际上没有节省内存(总是会分配这些实例),而常用操作又有轻微的性能损失。
当所涉及的代码需要保证线程安全时，延迟初始化会更为复杂。第一步，最简单的方式是添加传统的同步机制：
public class CalDateInitialization {
private Calendar calendar;
private DateFormat df;
private synchronized void report(Writer w) {
if(calendar == null) {
calendar = Calendar.getInstance();
df = DateFormat.getDateInstance();
}
w.write("On" + df.format(calendar.getTime()) + ":" + this);
}
在解决方案中引入同步，会使得同步也有可能成为性能瓶颈。不过这种情况很罕见。对于问题中的对象而言，只有当初始化这些字段的几率很低时，延迟初始化才有性能方面的好处。因为，如果一般情况下都会初始化这些字段，那实际上也不会节省内存。因此对于延迟初始化的字段，当不常用的代码路径突然被大量线程同时使用时，同步就会成为瓶颈。这种情况是可以想象的，不过好在并不多见。
只有延迟初始化的变量本身是线程安全的，才有可能解决同步瓶颈。DateFormat对象不是线程安全的，所以在现在的这个例子中，锁中是否包含Calendar对象并不重要：如果延迟初始化的对象突然被频频使用，那无论如何，围绕DateFormat对象所需的同步都会成为问题。线程安全的代码应该是这样的：
public class CalDateInitialization {
private Calendar calendar;
private DateFormat df;
private void report(Writer w) {
unsychronizedCalendarInit();
synchronized(df) {
w.write("On" + df.format(calendar.getTime()) + ":" + this);
}
}
}
涉及非线程安全的实例变量的延迟初始化，总会围绕这个变量做同步(例如，像前面所示的那样使用方法的同步版本)。
考虑一个有点不一样的例子，其中有一个比较大的ConcurrentHashMap对象，就采用了延迟初始化：
public class CHMInitialization {
private ConcurrentHashMap chm;
public void dooperation() {
synchronized(this) {
if(chm == null) {
chv = new ConcurrentHashMap();
}
}
}
}
因为多个线程可以安全地访问ConcurrentHashMap,所以这个例子中的多余的同步，就是一种不太常见的情况，因为即便是恰当地使用延迟初始化，也引入了同步瓶颈。(不过这种瓶颈应该极为少见；如果这个HashMap访问非常频繁，那就应该考虑延迟初始化到底有什么好处了。)该瓶颈可以使用双重检查锁这种惯用法来解决：
public class CHMInitialization {
private volatile ConcurrentHashMap instanceChm;
public void dooperation() {
ConcurrentHashMap chm = instanceChm;
if (chm == null) {
synchronized(this) {
chm = instanceChm;
if (chm == null) {
chm = new ConcurrentHashMap();
instanceChm = chm;
}
}
}
这里有些比较重要的多线程相关的问题：实例变量必须用volatile来声明，而且将这个实例变量赋值给一个局部变量，性能会有些许改进。
尽早清理
从延迟初始化变量可以推出另一种行为，即通过将变量的值设置为null,实现尽早清理，从而使问题中的对象可以更快地被垃圾收集器回收。不过这只是理论上听着不错，真正能发挥作用的场合很有限。
可以选择延迟初始化的变量，可能看上去也可以选择尽早清理：在上面的例子中，一完成report()方法，Calendar和DateFormat对象就可以设置为null了。然而，如果后面再调用到这个方法(或者同一个类中的其他地方)时，并没有用到该变量，那最初就没有理由将其设计为实例变量：在方法中创建一个局部变量就可以了，而且当方法完成时，局部变量就会离开作用域，然后垃圾收集器就可以释放它了。
不需要尽早清理变量，这个规则有个很常见的例外情况，即对于类似Java集合类框架中的那些类：它们会在较长的时间内保存一些指向数据的引用，当问题中的数据不再需要时会通知它们。考虑JDK中ArrayList类的remove()方法的实现(部分代码有所简化):
public E remove(int index) {
E oldValue = elementData(index);
int numMoved = size - index - 1;
if(numMoved>θ)
System.arraycopy(elementData, index+1,
elementData, index,numMoved);
elementData[--size]= null;//清理，让GC完成其工作
return oldValue;
}
JDK源代码中有一行关于GC的注释：像这样将某个变量的值设置为null,这种操作并不常见，需要解释一下。在这种情况下，我们可以看看当数组的最后一个元素被移除时，会发生什么。仍然存在于数组中的条目数，也就是实例变量size,会被减1。比如说size从5减少到4。现在不管elementData中存的是什么，都不能访问了：它超出了数组的有效范围。
在这种情况下，elementData是一个过时的引用。elementData数组可能仍会存活很长时间，因此对于不需要再引用的元素，应该主动将其设置为null。
过时引用的概念是这里的关键：如果一个长期存活的类会缓存以及丢弃对象引用，那一定要仔细处
理，以避免过时引用。否则，显式地将一个对象引用设置为null在性能方面基本没什么好处。
快速小结
- 只有当常用的代码路径不会初始化某个变量时，才去考虑延迟初始化该变量。
- 一般不会在线程安全的代码上引入延迟初始化，否则会加重现有的同步成本。
- 对于使用了线程安全对象的代码，如果要采用延迟初始化，应该使用双重检查锁。