本文主要側(cè)重于理論分析，我們從整體上看一下 Java 性能優(yōu)化都有哪些可以遵循的規(guī)律。本文主講理論。關(guān)于實(shí)踐，后續(xù)的文章會(huì)用較多的案例來(lái)細(xì)化本文的知識(shí)點(diǎn)，適合反復(fù)思考和歸納。

Part1概述

性能優(yōu)化根據(jù)優(yōu)化的類(lèi)別，分為業(yè)務(wù)優(yōu)化和技術(shù)優(yōu)化。業(yè)務(wù)優(yōu)化產(chǎn)生的效果也是非常大的，但它屬于產(chǎn)品和管理的范疇。同作為程序員，在平常工作中，我們面對(duì)的優(yōu)化方式，主要是通過(guò)一系列的技術(shù)手段，來(lái)完成對(duì)既定的優(yōu)化目標(biāo)。這一系列的技術(shù)手段，我大體歸納為如圖以下 7 類(lèi)：


可以看到，優(yōu)化方式集中在對(duì)計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源的規(guī)劃上。優(yōu)化方法中有多種用空間換時(shí)間的方式，但只照顧計(jì)算速度，而不考慮復(fù)雜性和空間問(wèn)題，也是不可取的。我們要做的，就是在照顧性能的前提下，達(dá)到資源利用的最優(yōu)狀態(tài)。

接下來(lái)，我簡(jiǎn)要介紹一下這7個(gè)優(yōu)化方向。如果你感覺(jué)比較枯燥，那也沒(méi)關(guān)系，我們本文的目的，就是讓你的腦海里有一個(gè)總分的概念，以及對(duì)理論基礎(chǔ)有一個(gè)整體的認(rèn)識(shí)。

Part2復(fù)用優(yōu)化

在寫(xiě)代碼的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多重復(fù)的代碼可以提取出來(lái)，做成公共的方法。這樣，在下次用的時(shí)候，就不用再費(fèi)勁寫(xiě)一遍了。

這種思想就是復(fù)用。上面的描述是編碼邏輯上的優(yōu)化，對(duì)于數(shù)據(jù)存取來(lái)說(shuō)，有同樣的復(fù)用情況。無(wú)論是在生活中還是編碼中，重復(fù)的事情一直在發(fā)生，如果沒(méi)有復(fù)用，工作和生活就會(huì)比較累。

在軟件系統(tǒng)中，談到數(shù)據(jù)復(fù)用，我們首先想到的就是緩沖和緩存。注意這兩個(gè)詞的區(qū)別，它們的意義是完全不同的，很多同學(xué)很容易搞混，在這里簡(jiǎn)單地介紹一下。

緩沖（Buffer），常見(jiàn)于對(duì)數(shù)據(jù)的暫存，然后批量傳輸或者寫(xiě)入。多使用順序方式，用來(lái)緩解不同設(shè)備之間頻繁地、緩慢地隨機(jī)寫(xiě)，緩沖主要針對(duì)的是寫(xiě)操作。

緩存（Cache），常見(jiàn)于對(duì)已讀取數(shù)據(jù)的復(fù)用，通過(guò)將它們緩存在相對(duì)高速的區(qū)域，緩存主要針對(duì)的是讀操作。

與之類(lèi)似的，是對(duì)于對(duì)象的池化操作，比如數(shù)據(jù)庫(kù)連接池、線程池等，在 Java 中使用得非常頻繁。由于這些對(duì)象的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀成本都比較大，我們?cè)谑褂弥螅矔?huì)將這部分對(duì)象暫時(shí)存儲(chǔ)，下次用的時(shí)候，就不用再走一遍耗時(shí)的初始化操作了。

Part3計(jì)算優(yōu)化

并行執(zhí)行

現(xiàn)在的 CPU 發(fā)展速度很快，絕大多數(shù)硬件，都是多核。要想加快某個(gè)任務(wù)的執(zhí)行，最快最優(yōu)的解決方式，就是讓它并行執(zhí)行。并行執(zhí)行有以下三種模式。

第一種模式是多機(jī)，采用負(fù)載均衡的方式，將流量或者大的計(jì)算拆分成多個(gè)部分，同時(shí)進(jìn)行處理。比如，Hadoop 通過(guò) MapReduce 的方式，把任務(wù)打散，多機(jī)同時(shí)進(jìn)行計(jì)算。

第二種模式是采用多進(jìn)程。比如 Nginx，采用 NIO 編程模型，Master 統(tǒng)一管理 Worker 進(jìn)程，然后由 Worker 進(jìn)程進(jìn)行真正的請(qǐng)求代理，這也能很好地利用硬件的多個(gè) CPU。

第三種模式是使用多線程，這也是 Java 程序員接觸最多的。比如 Netty，采用 Reactor 編程模型，同樣使用 NIO，但它是基于線程的。Boss 線程用來(lái)接收請(qǐng)求，然后調(diào)度給相應(yīng)的 Worker 線程進(jìn)行真正的業(yè)務(wù)計(jì)算。

像 Golang 這樣的語(yǔ)言，有更加輕量級(jí)的協(xié)程（Coroutine），協(xié)程是一種比線程更加輕量級(jí)的存在，但目前在 Java 中還不太成熟，就不做過(guò)多介紹了，但本質(zhì)上，它也是對(duì)于多核的應(yīng)用，使得任務(wù)并行執(zhí)行。

變同步為異步

再一種對(duì)于計(jì)算的優(yōu)化，就是變同步為異步，這通常涉及編程模型的改變。同步方式，請(qǐng)求會(huì)一直阻塞，直到有成功，或者失敗結(jié)果的返回。雖然它的編程模型簡(jiǎn)單，但應(yīng)對(duì)突發(fā)的、時(shí)間段傾斜的流量，問(wèn)題就特別大，請(qǐng)求很容易失敗。

異步操作可以方便地支持橫向擴(kuò)容，也可以緩解瞬時(shí)壓力，使請(qǐng)求變得平滑。同步請(qǐng)求，就像拳頭打在鋼板上；異步請(qǐng)求，就像拳頭打在海綿上。你可以想象一下這個(gè)過(guò)程，后者肯定是富有彈性的，體驗(yàn)更加友好。

惰性加載

最后一種，就是使用一些常見(jiàn)的設(shè)計(jì)模式來(lái)優(yōu)化業(yè)務(wù)，提高體驗(yàn)，比如單例模式、代理模式等。舉個(gè)例子，在繪制 Swing 窗口的時(shí)候，如果要顯示比較多的圖片，就可以先加載一個(gè)占位符，然后通過(guò)后臺(tái)線程慢慢加載所需要的資源，這就可以避免窗口的僵死。

Part4結(jié)果集優(yōu)化

接下來(lái)介紹一下對(duì)結(jié)果集的優(yōu)化。舉個(gè)比較直觀的例子，我們都知道 XML 的表現(xiàn)形式是非常好的，那為什么還有 JSON 呢？除了書(shū)寫(xiě)要簡(jiǎn)單一些，一個(gè)重要的原因就是它的體積變小了，傳輸效率和解析效率變高了，像 Google 的 Protobuf，體積就更小了一些。雖然可讀性降低，但在一些高并發(fā)場(chǎng)景下（如 RPC），能夠顯著提高效率，這是典型的對(duì)結(jié)果集的優(yōu)化。

這是由于我們目前的 Web 服務(wù)，都是 C/S 模式。數(shù)據(jù)從服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻舳耍枰职l(fā)多份，這個(gè)數(shù)據(jù)量是急劇膨脹的，每減少一小部分存儲(chǔ)，都會(huì)有比較大的傳輸性能和成本提升。

像 Nginx，一般都會(huì)開(kāi)啟 GZIP 壓縮，使得傳輸?shù)膬?nèi)容保持緊湊。客戶端只需要一小部分計(jì)算能力，就可以方便解壓。由于這個(gè)操作是分散的，所以性能損失是固定的。

了解了這個(gè)道理，我們就能看到對(duì)于結(jié)果集優(yōu)化的一般思路，你要盡量保持返回?cái)?shù)據(jù)的精簡(jiǎn)。一些客戶端不需要的字段，那就在代碼中，或者直接在 SQL 查詢(xún)中，就把它去掉。

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對(duì)于一些對(duì)時(shí)效性要求不高，但對(duì)處理能力有高要求的業(yè)務(wù)。我們要吸取緩沖區(qū)的經(jīng)驗(yàn)，盡量減少網(wǎng)絡(luò)連接的交互，采用批量處理的方式，增加處理速度。

結(jié)果集合很可能會(huì)有二次使用，你可能會(huì)把它加入緩存中，但依然在速度上有所欠缺。這個(gè)時(shí)候，就需要對(duì)數(shù)據(jù)集合進(jìn)行處理優(yōu)化，采用索引或者 Bitmap 位圖等方式，加快數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度。

Part5資源沖突優(yōu)化

我們?cè)谄匠５拈_(kāi)發(fā)中，會(huì)涉及很多共享資源。這些共享資源，有的是單機(jī)的，比如一個(gè) HashMap；有的是外部存儲(chǔ)，比如一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)行；有的是單個(gè)資源，比如 Redis 某個(gè) key 的Setnx；有的是多個(gè)資源的協(xié)調(diào)，比如事務(wù)、分布式事務(wù)等。

現(xiàn)實(shí)中的性能問(wèn)題，和鎖相關(guān)的問(wèn)題是非常多的。大多數(shù)我們會(huì)想到數(shù)據(jù)庫(kù)的行鎖、表鎖、Java 中的各種鎖等。在更底層，比如 CPU 命令級(jí)別的鎖、JVM 指令級(jí)別的鎖、操作系統(tǒng)內(nèi)部鎖等，可以說(shuō)無(wú)處不在。

只有并發(fā)，才能產(chǎn)生資源沖突。也就是在同一時(shí)刻，只能有一個(gè)處理請(qǐng)求能夠獲取到共享資源。解決資源沖突的方式，就是加鎖。再比如事務(wù)，在本質(zhì)上也是一種鎖。

按照鎖級(jí)別，鎖可分為樂(lè)觀鎖和悲觀鎖，樂(lè)觀鎖在效率上肯定是更高一些；按照鎖類(lèi)型，鎖又分為公平鎖和非公平鎖，在對(duì)任務(wù)的調(diào)度上，有一些細(xì)微的差別。

對(duì)資源的爭(zhēng)用，會(huì)造成嚴(yán)重的性能問(wèn)題，所以會(huì)有一些針對(duì)無(wú)鎖隊(duì)列之類(lèi)的研究，對(duì)性能的提升也是巨大的。

Part6算法優(yōu)化

算法能夠顯著提高復(fù)雜業(yè)務(wù)的性能，但在實(shí)際的業(yè)務(wù)中，往往都是變種。由于存儲(chǔ)越來(lái)越便宜，在一些 CPU 非常緊張的業(yè)務(wù)中，往往采用空間換取時(shí)間的方式，來(lái)加快處理速度。

算法屬于代碼調(diào)優(yōu)，代碼調(diào)優(yōu)涉及很多編碼技巧，需要使用者對(duì)所使用語(yǔ)言的 API 也非常熟悉。有時(shí)候，對(duì)算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的靈活使用，也是代碼優(yōu)化的一個(gè)重要內(nèi)容。比如，常用的降低時(shí)間復(fù)雜度的方式，就有遞歸、二分、排序、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等。

一個(gè)優(yōu)秀的實(shí)現(xiàn)，比一個(gè)拙劣的實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)的影響是非常大的。比如，作為 List 的實(shí)現(xiàn)，LinkedList 和 ArrayList 在隨機(jī)訪問(wèn)的性能上，差了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)；又比如，CopyOnWriteList 采用寫(xiě)時(shí)復(fù)制的方式，可以顯著降低讀多寫(xiě)少場(chǎng)景下的鎖沖突。而什么時(shí)候使用同步，什么時(shí)候是線程安全的，也對(duì)我們的編碼能力有較高的要求。

這部分的知識(shí)，就需要我們?cè)谄匠５墓ぷ髦凶⒁夥e累。

高效實(shí)現(xiàn)在平時(shí)的編程中，盡量使用一些設(shè)計(jì)理念良好、性能優(yōu)越的組件。比如，有了 Netty，就不用再選擇比較老的 Mina 組件。而在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，從性能因素考慮，就不要選 SOAP 這樣比較耗時(shí)的協(xié)議。再比如，一個(gè)好的語(yǔ)法分析器（比如使用 JavaCC），其效率會(huì)比正則表達(dá)式高很多。

總之，如果通過(guò)測(cè)試分析，找到了系統(tǒng)的瓶頸點(diǎn)，就要把關(guān)鍵的組件，使用更加高效的組件進(jìn)行替換。在這種情況下，適配器模式是非常重要的。這也是為什么很多公司喜歡在現(xiàn)有的組件之上，再抽象一層自己的；而當(dāng)在底層組件進(jìn)行切換的時(shí)候，上層的應(yīng)用并無(wú)感知。

Part7JVM 優(yōu)化

因?yàn)?Java 是運(yùn)行在 JVM 虛擬機(jī)之上，它的諸多特性，就要受到 JVM 的制約。對(duì) JVM 虛擬機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，也能在一定程度上能夠提升 JAVA 程序的性能。如果參數(shù)配置不當(dāng)，甚至?xí)斐?OOM 等比較嚴(yán)重的后果。

目前被廣泛使用的垃圾回收器是 G1，通過(guò)很少的參數(shù)配置，內(nèi)存即可高效回收。CMS 垃圾回收器已經(jīng)在 Java 14 中被移除，由于它的 GC 時(shí)間不可控，有條件應(yīng)該盡量避免使用。

JVM 性能調(diào)優(yōu)涉及方方面面的取舍，往往是牽一發(fā)而動(dòng)全身，需要全盤(pán)考慮各方面的影響。所以了解 JVM 內(nèi)部的一些運(yùn)行原理，還是特別重要的，它有益于我們加深對(duì)代碼更深層次的理解，幫助我們書(shū)寫(xiě)出更高效的代碼。

Part8小結(jié)

以上就是代碼優(yōu)化的 7 個(gè)大方向，我們通過(guò)簡(jiǎn)要的介紹，讓大家對(duì)性能優(yōu)化的內(nèi)容有了大體的了解。這7大方向是代碼優(yōu)化的最主要方向，當(dāng)然，性能優(yōu)化還包含數(shù)據(jù)庫(kù)優(yōu)化、操作系統(tǒng)優(yōu)化、架構(gòu)優(yōu)化等其他一些內(nèi)容，這些不是我們的重點(diǎn)。

本文時(shí)適合案例分析后回讀，更加能夠加深你對(duì) Java 性能優(yōu)化的理解。

審核編輯：劉清