Java性能调优常用方法

Java给大部分人的感觉就是慢，有严重的性能问题。其实程序慢的问题，与语言无关，与Java无关。Java应用的性能优化也是一个老生常谈的话题，但是只要我们深入的了解性能调优方法，走遍天下都不怕！

根据我的个人经验，将Java性能优化分为4个层级：应用层、数据库层、框架层、JVM 层。通过介绍Java性能诊断工具和思路，总结出性能优化案例以供参考。

Java性能优化分层模型

根据我的分层，应用层、数据库层、框架层、JVM 层四个层，每层优化难度逐级增加，涉及的知识和解决的问题也会不同。比如应用层需要理解代码逻辑，通过Java线程栈定位有问题代码行等；数据库层面需要分析 SQL、定位死锁等；框架层需要懂源代码，理解框架机制；JVM 层需要对 GC 的类型和工作机制有深入了解，对各种 JVM 参数作用了然于胸。围绕Java性能优化，有两种最基本的分析方法：现场分析法和事后分析法。现场分析法通过保留现场，再采用诊断工具分析定位。现场分析对线上影响较大，部分场景（特别是涉及到用户关键的在线业务时）不太合适。事后分析法需要尽可能多收集现场数据，然后立即恢复服务，同时针对收集的现场数据进行事后分析和复现。

性能诊断工具

性能诊断一种是针对已经确定有性能问题的系统和代码进行诊断，还有一种是对预上线系统提前性能测试，确定性能是否符合上线要求。可以用各种性能压测工具（例如JMeter）进行测试。针对Java应用，性能诊断工具主要分为两层：OS层面和Java应用层面（包括应用代码诊断和GC诊断）。OS层面的诊断主要关注的是 CPU、Memory、I/O 三个方面。CPU诊断是对于CPU主要关注平均负载（Load Average），CPU使用率，上下文切换次数（Context Switch）。另外也可以通过top命令可以查看系统平均负载和CPU使用率。

vmstat命令

一般使用vmstat命令可以查看CPU的上下文切换次数，例如在linux环境下，输入“vmstat 1”，结果如下图：

上下文切换次数发生的场景主要有如下几种：
时间片用完，CPU 正常调度下一个任务；
被其它优先级更高的任务抢占；
执行任务碰到 I/O 阻塞，挂起当前任务，切换到下一个任务；
用户代码主动挂起当前任务让出 CPU；
多任务抢占资源，由于没有抢到被挂起；
硬件中断。
Java 线程上下文切换主要来自共享资源的竞争。一般单个对象加锁很少成为系统瓶颈，除非锁粒度过大。但在一个访问频度高，对多个对象连续加锁的代码块中就可能出现大量上下文切换，成为系统瓶颈。

内存方面(Memory)

从操作系统角度，内存关注应用进程是否足够，可以使用 free –m命令查看内存的使用情况。通过top命令可以查看进程使用的虚拟内存VIRT和物理内存RES，根据公式VIRT = SWAP + RES可以推算出具体应用使用的交换分区（Swap）情况，使用交换分区过大会影响Java应用性能，可以将swappiness值调到尽可能小。因为对于Java应用来说，占用太多交换分区可能会影响性能，毕竟磁盘性能比内存慢太多。

I/O方面

I/O包括磁盘I/O和网络I/O，一般情况下磁盘更容易出现I/O瓶颈。通过iostat可以查看磁盘的读写情况，通过CPU的I/O wait可以看出磁盘I/O是否正常。如果磁盘I/O一直处于很高的状态，说明磁盘太慢或故障，成为了性能瓶颈，需要进行应用优化或者磁盘更换。
除了常用的top、ps、vmstat、iostat等命令，还有其他Linux工具可以诊断系统问题，如mpstat、tcpdump、netstat、pidstat、sar等。下面摘录了部分Linux系统不同设备类型的性能诊断工具。

总结与建议

性能调优同样遵循 2-8 原则，80%的性能问题是由 20%的代码产生的，因此优化关键代码事半功倍。同时，对性能的优化要做到按需优化，过度优化可能引入更多问题。对于 Java 性能优化，不仅要理解系统架构、应用代码，同样需要关注 JVM 层甚至操作系统底层。总结起来主要可以从以下几点进行考虑：

基础性能的调优

这里的基础性能指的是硬件层级或者操作系统层级的升级优化，比如网络调优，操作系统版本升级，硬件设备优化等。比如 F5 的使用和 SDD 硬盘的引入，包括新版本 Linux 在 NIO 方面的升级，都可以极大的促进应用的性能提升；

数据库性能优化

包括常见的事务拆分，索引调优，SQL 优化，NoSQL 引入等，比如在事务拆分时引入异步化处理，最终达到一致性等做法的引入，包括在针对具体场景引入的各类 NoSQL 数据库，都可以大大缓解传统数据库在高并发下的不足；

应用架构优化

引入一些新的计算或者存储框架，利用新特性解决原有集群计算性能瓶颈等；或者引入分布式策略，在计算和存储进行水平化，包括提前计算预处理等，利用典型的空间换时间的做法等；都可以在一定程度上降低系统负载；

业务层面的优化

技术并不是提升系统性能的唯一手段，在很多出现性能问题的场景中，其实可以看到很大一部分都是因为特殊的业务场景引起的，如果能在业务上进行规避或者调整，其实往往是最有效的。

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