java应用程序性能分析

一、Java程序性能优化

1. 程序的性能通过以下几个方面来表现：

1）执行速度：程序的反映是否迅速，响应时间是否足够短；

2）内存分配：内存分配是否合理，是否过多地消耗内存或者存在泄漏；

3）启动时间：程序从运行到可以正常处理业务需要花费多长时间；

4）负载承受能力：当系统压力上升时，系统的执行速度、响应时间的上升曲线是否平缓。

2.性能的参考指标：

1）执行时间 2）CPU时间  3）内存分配  4）磁盘吞吐量  5）网络吞吐量  6）响应时间

3.数据库调优：

       当使用JDBC进行查询时，对于大量的拥有相同结构的SQL查询，可以使用PreparedStatement代替Statement，以提高数据库的查询效率；在Select语句中，显示指定要查询的列名，避免使用星号“*”；为提高数据库查询效率，可以建立有效且合理的索引。 

4.设计优化：

1）单例模式

     它是一种对象创建模式，用于产生一个对象的具体实例，可以确保系统中一个类只产生一个实例。

     在Java中有两大好处：一是：对于频繁使用的对象，可以省略创建对象所花费的时间；二是：由于new操作的次数减少，因而对系统内存的使用频率也会降低，这将减轻GC压力，缩短GC停顿时间。

    对于系统的关键组件和频繁使用的对象，使用单例模式便可以有效地改善系统的性能。

    单例类必须要有一个private访问级别的构造函数，能确保单例不会在系统中的其他代码内被实例化，同时，定义的成员变量和方法必须是static的。

    使用内部类的方式实现单例，既可以做到延迟加载，也不必使用同步关键字，是一种比较完善的实现。

    序列化和反序列化可能会破坏单例。一般来说，对单例进行序列化和反序列化的场景并不多见，但如果存在，就要多加注意。

2）代理模式

    它使用代理对象完成用户请求，屏蔽用户对真实对象的访问。

    在软件设计中，使用代理模式的意图很多，比如因为安全原因，需要屏蔽客户端直接访问真实对象；或者在远程调用中，需要使用代理类处理远程方法调用的技术细节；可能为了提高系统性能，对真实对象进行封装，从而达到延迟加载的目的。

    延迟加载的核心思想是：如果当前并没有使用这个组件，则不需要真正地初始化它，使用一个代理对象替代它的原有的位置，只要在真正需要使用的时候，才对它进行加载。在系统启动时，讲消耗资源最多的方法都是用代理模式分离，就可以加快系统的启动速度，减少用户的等待时间。

   动态代理是指在运行时，动态生成代理类，即代理类的字节码将在运行时生成并载入当前的ClassLoader。这样不必为每一个主题接口写一个代理方法（接口改动，则真实主题和代理类都要修改，不利于维护）。

3）享元模式

    核心思想：如果在一个系统中存在多个相同的对象，那么只需共享一份对象的拷贝，而不必为每一次使用都创建新的对象。

    享元模式对性能提升的主要两点：一是：可以节省重复创建对象的开销，因为被享元模式维护的相同对象只会被创建一次。二是：由于创建对象的数量减少，所以对系统内存的需求也减少。

    享元模式的主要角色有享元工厂（用以创建具体享元类，维护相同的享元对象。保证相同的享元对象可以被系统共享。）、抽象享元（定义需共享的对象的业务接口）、具体享元类（实现抽象享元类的接口，完成某一具体逻辑）和主函数（使用享元模式的组件，通过享元工厂取得享元对象）几部分组成。

    享元工厂是享元模式的核心，它需要确保系统可以共享相同的对象。一般情况下，享元工厂会维护一个对象列表，当任何组件尝试获取享元类时，如果请求的享元类已经被创建，则直接返回已有的享元类；若没有，则创建一个新的享元对象，并将它加入到维护队列中。

    享元工厂和对象池的重要区别：在一个对象池中，所有的对象都是等价的，任意两个对象在任何场景中都可以被对象池中的其他对象代替；而在享元模式中，享元工厂所维护的所有对象都是不同的，任何两个对象间不能相互代替。

4）装饰者模式

    装饰者模式通过委托机制，复用系统中的各个组件，在运行时，可以将这些功能组件进行叠加，从而构造一个“超级对象”,使其拥有所有这些组件的功能。装饰者模式可以有效分离性能组件和功能组件，从而提升模块的可维护性并增加模块的复用性。

    装饰者模式的主要角色有：组件接口（定义了被装饰者的核心功能和装饰者需要加强的功能点）、具体组件（实现了组件接口的核心方法，完成某一个具体的业务逻辑）、装饰者（实现组件接口，并持有一个具体的被装饰者对象）、具体装饰者（具体实现装饰的业务逻辑，即实现了被分离的各个增强功能点）。

5）观察者模式

    它可以在单线程中，使某一对象，及时得知自身所依赖的状态的变化。观察者模式可以用于事件监听、通知发布等场合。可以确保观察者在不使用轮训监控的情况下，及时收到相关消息和事件。

    观察者模式的主要角色有：主题接口（指被观察的对象。当其状态发生改变或者某事件发生时，它会将这个变化通知观察者。它维护了观察者所需要依赖的状态）、具体主题（实现了主题接口中的方法。其内部维护一个观察者列表。）、观察者接口（定义了观察者的基本方法。当依赖状态发生改变时，主题接口就会调用观察者的update()方法）、具体观察者（实现了观察者接口的update()，具体处理当被观察者状态改变或某一事件发生时的业务逻辑）。

6）Value Object模式

    它提倡将一个对象的各个属性进行封装，将封装后的对象在网络中传递，从而使系统拥有更好的交互模型，并且减少网络通信数据，从而提高系统性能。使用Value Object模式可以有效减少网络交互次数，提高远程调用方法的性能，也能使系统接口具有更好的可维护性。

7）业务代理模式

    它将一组由远程方法调用构成的业务流程，封装在一个位于展示层的代理类中。

    业务代理模式将一些业务流程封装在前台系统，为系统性能优化提供了基础平台。在业务代理中，不仅可以复用业务流程，还可以视情况为展示层组件提供缓存等功能，从而减少远程方法调用次数，降低系统压力。

5.常用优化组件和方法

1）缓冲（Buffer）

    缓冲区是一块特定的内存区域。开辟缓冲区的目的是通过缓解应用程序上下层之间的性能差异，提高系统的性能。 当上层组件性能优于下层组件时，可以有效减少上层组件对下层组件的等待时间。缓冲最常用的场景就是提高I/O的速度。

    一般来说，缓冲区不宜过小，过小的缓冲区无法起到真正的缓冲作用，缓冲区也不宜过大，过大的缓冲区会浪费系统内存，增加GC负担。

2）缓存（Cache）

    缓存是一块为提升系统性能而开辟的内存空间，他的主要作用是暂存数据处理结果，并提供下次访问使用。

    缓存可以保存一些来之不易的数据或者计算结果。当需要再次使用这些数据时，可以从缓存中低成本地获取，而不需要再占用宝贵的系统资源。 

3）池

    对象池化是目前非常常用的一种系统优化技术。它的核心思想是i，如果一个类被频繁请求使用，那么不必每次都生成一个实例，可以将这个类的一些实例保存在一个“池”中，待需要使用的时候从池中获取。在实现细节上，它可能是一个数组，一个链表或者任何集合类。最为熟悉的对象池有线程池和数据库池。

4）负载均衡

    并发数很多时，单台计算机无法承受，为保证应用程序的服务质量，使用多台计算机协同工作，将系统负载尽可能均匀地分配到各个计算机节点上。

    Terracotta是一款企业级的、开源的、JVM层的集群解决方案。它可以实现诸如分布式对象共享、分布式缓存、分布式Session等功能。可以作为负载均衡、高可用性的解决方案。

6.字符串优化处理

1）String对象及其特点

    String对象的3个基本特点：一是不变性：指String对象一旦生成，则不能再对它进行改变。这种不变模式的主要作用在于当一个对象需要被多线程共享，并且访问频繁时，可以省略同步和锁等待的时间，从而大幅度提高系统性能。二是针对常量池的优化：指当两个String对象拥有相同的值时，它们只引用常量池中的同一个拷贝。当同一个字符串反复出现时，这个技术可以大幅度节省内存空间。三是类的final定义：作为final类的String对象在系统中不可能有任何子类，这是对系统安全性的保护。

2）StringBuffer 和 StringBuilder

    String对象具有不变性，为了能高效地动态生成和构建字符串对象，就需要使用StringBuffer和StringBuilder类。

    它们都实现了AbstractStringBuilder抽象类，拥有几乎相同的对外接口，两者的最大不同在于StringBuffer对几乎所有方法都做了同步，而StringBuilder并没有做任何同步。同步需要消耗一定的系统资源，所以StringBuffer的效率要低于StringBuilder。但是在多线程中，StringBuilder无法保证线程安全，不能使用。

    扩容策略是将原来的容量大小翻倍，以新的容量申请内存空间，建立新的char数组，然后将原数组中的内容复制到这个新的数组中。因此大对象的扩容会涉及大量的内存复制操作，所哟，如果能够与西安评估StringBuilder的大小，将有效地节省这些操作，从而提高系统的性能。

7.核心数据结构

1）List接口

    3种List重要实现，即ArraryList、Vector和LinkedList。

    ArraryList和Vector使用了数组实现，封装了对内部数组的操作，因此，对 ArraryList或Vector的操作，等价于对内部对象数据的操作。两者的区别是， ArraryList没有对任何一个方法做线程同步，因此不是线程安全的；Vector中绝大部分方法都做了线程同步，是一种线程安全的实现。

    LinkedList使用了循环双向链表数据结构，其链表由一系列表项连接而成，一个表项总包含3个部分：元素内容、前驱表项和后驱表项。

   ArraryList是基于数组实现的，而数组是一块连续的内存空间，如果在数组的任意位置插入或删元素，必然导致在该位置后的所有元素需要重新排序，因此，其效率相对会比较低。而对LinkedList来说，在任意位置插入或者删除元素，效率要比ArraryList高。

    对ArraryList这些基于数组的实现来说，随机访问的速度是很快的。但对于LinkedList等基于链表的实现，随机访问性能是非常差的，应避免使用。

2)Map接口

    Map接口主要实现的类有Hashtable、HashMap、LinkedHashMap和TreeMap。

    Hashtable和HashMap两者的差别是，首先，Hashtable的大部分做了同步，而HashMap没有，因此HashMap不是线程安全的；其次，Hashtable不允许key或者value使用null值，而HashMap可以。第三，在内部算法上，它们对key的hash算法和hash值到内存索引的映射算法不同。

    存入到HashMap中的元素，在遍历时，其输出是无序的，若想保存元素输入时的顺序，则需要使用LinkedHashMap。LinkedHashMap继承自HashMap，具备HashMap的高效性，而在HashMap的基础上，LinkedHashMap又在内部增加了一个链表，用以存放元素的顺序，因此，LinkedHashMap是一个维护了元素次序表的HashMap。

    TreeMap实现了SortedMap接口，可以对元素进行排序，但它的性能略微低于HashMap。与LinkedHashMap不同，LinkedHashMap是根据元素增加或者访问的先后顺序进行排序，而TreeMap则根据元素的key进行排序。要正常使用TreeMap，一定要通过两种方式（即在TreeMap的构造函数中注入一个Comparator或者使用一个实现了Comparable接口的key）中的一种将排序规则传递给TreeMap。如果既不指定Comparator，又不去实现Comparable接口，那么在put()操作时，就会抛出异常。

3）Set接口

    Set集合中的元素是不能重复的。Set接口的重要实现包括HashSet、LinkedHashSet和TreeSet。

    HashSet，基于hash的快速元素插入，元素间无顺序；LinkedHashSet，基于hash的快速元素插入，同时维护着元素插入集合时的先后顺序，遍历集合时，总是按照先进先出的顺序排序。TreeSet，基于红黑树的实现，有着高效的基于元素key的排序算法。