程式設計師筆記|如何編寫高效能的Java程式碼

宜信技術學院發表於2019-05-10

程式設計師筆記Java

一、併發

無法建立新的本機執行緒......

問題1：Java的中建立一個執行緒消耗多少記憶體？

每個執行緒有獨自的棧記憶體，共享堆記憶體

問題2：一臺機器可以建立多少執行緒？

CPU，記憶體，作業系統，JVM，應用伺服器

我們編寫一段示例程式碼，來驗證下執行緒池與非執行緒池的區別：

//執行緒池和非執行緒池的區別<font></font>
public class ThreadPool {<font></font>
 <font></font>
     public static int times = 100;//100,1000,10000<font></font>
 <font></font>
     public static ArrayBlockingQueue arrayWorkQueue = new ArrayBlockingQueue(1000);<font></font>
     public static ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(5, //corePoolSize執行緒池中核心執行緒數<font></font>
             10,<font></font>
             60,<font></font>
             TimeUnit.SECONDS,<font></font>
             arrayWorkQueue,<font></font>
             new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy()<font></font>
     );<font></font>
 <font></font>
     public static void useThreadPool() {<font></font>
         Long start = System.currentTimeMillis();<font></font>
         for (int i = 0; i < times; i++) {<font></font>
             threadPool.execute(new Runnable() {<font></font>
                 public void run() {<font></font>
                     System.out.println("說點什麼吧...");<font></font>
                 }<font></font>
             });<font></font>
         }<font></font>
         threadPool.shutdown();<font></font>
         while (true) {<font></font>
             if (threadPool.isTerminated()) {<font></font>
                 Long end = System.currentTimeMillis();<font></font>
                 System.out.println(end - start);<font></font>
                 break;<font></font>
             }<font></font>
         }<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     public static void createNewThread() {<font></font>
         Long start = System.currentTimeMillis();<font></font>
         for (int i = 0; i < times; i++) {<font></font>
 <font></font>
             new Thread() {<font></font>
                 public void run() {<font></font>
                     System.out.println("說點什麼吧...");<font></font>
                 }<font></font>
             }.start();<font></font>
         }<font></font>
         Long end = System.currentTimeMillis();<font></font>
         System.out.println(end - start);<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     public static void main(String args[]) {<font></font>
         createNewThread();<font></font>
         //useThreadPool();<font></font>
     }<font></font>
 }
複製程式碼

啟動不同數量的執行緒，然後比較執行緒池和非執行緒池的執行結果：

	非執行緒池	執行緒池
100次	16毫秒	5ms的
1000次	90毫秒	28ms
10000次	1329ms	164ms

結論：不要新的Thread（），採用執行緒池

非執行緒池的缺點：

每次建立效能消耗大
無序，缺乏管理。容易無限制建立執行緒，引起OOM和當機

1.1 使用執行緒池要注意的問題

避免死鎖，請儘量使用CAS

我們編寫一個樂觀鎖的實現示例：

public class CASLock {<font></font>
 <font></font>
     public static int money = 2000;<font></font>
 <font></font>
     public static boolean add2(int oldm, int newm) {<font></font>
         try {<font></font>
             Thread.sleep(2000);<font></font>
         } catch (InterruptedException e) {<font></font>
             e.printStackTrace();<font></font>
         }<font></font>
         if (money == oldm) {<font></font>
             money = money + newm;<font></font>
             return true;<font></font>
         }<font></font>
         return false;<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     public synchronized static void add1(int newm) {<font></font>
         try {<font></font>
             Thread.sleep(3000);<font></font>
         } catch (InterruptedException e) {<font></font>
             e.printStackTrace();<font></font>
         }<font></font>
         money = money + newm;<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     public static void add(int newm) {<font></font>
         try {<font></font>
             Thread.sleep(3000);<font></font>
         } catch (InterruptedException e) {<font></font>
             e.printStackTrace();<font></font>
         }<font></font>
         money = money + newm;<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     public static void main(String args[]) {<font></font>
         Thread one = new Thread() {<font></font>
             public void run() {<font></font>
                 //add(5000)<font></font>
                 while (true) {<font></font>
                     if (add2(money, 5000)) {<font></font>
                         break;<font></font>
                     }<font></font>
                 }<font></font>
             }<font></font>
         };<font></font>
         Thread two = new Thread() {<font></font>
             public void run() {<font></font>
                 //add(7000)<font></font>
                 while (true) {<font></font>
                     if (add2(money, 7000)) {<font></font>
                         break;<font></font>
                     }<font></font>
                 }<font></font>
             }<font></font>
         };<font></font>
         one.start();<font></font>
         two.start();<font></font>
         try {<font></font>
             one.join();<font></font>
             two.join();<font></font>
         } catch (InterruptedException e) {<font></font>
             e.printStackTrace();<font></font>
         }<font></font>
         System.out.println(money);<font></font>
     }<font></font>
 }
複製程式碼

使用ThreadLocal中要注意

ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作為key，如果一個ThreadLocal沒有外部強引用來引用它，那麼系統GC的時候，這個ThreadLocal勢必會被回收，這樣一來，ThreadLocalMap中就會出現key為null的條目，就沒有辦法訪問這些鍵為null的條目的值，如果當前執行緒再遲遲不結束的話，這些鍵為null的條目的值就會一直存在一條強引用鏈：執行緒參考 - >執行緒 - > ThreaLocalMap - >條目 - >值永遠無法回收，造成記憶體洩漏。

我們編寫一個ThreadLocalMap正確使用的示例：

//ThreadLocal應用例項<font></font>
public class ThreadLocalApp {<font></font>
 <font></font>
     public static final ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();<font></font>
 <font></font>
     public static void muti2() {<font></font>
         int i[] = (int[]) threadLocal.get();<font></font>
         i[1] = i[0] * 2;<font></font>
         threadLocal.set(i);<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     public static void muti3() {<font></font>
         int i[] = (int[]) threadLocal.get();<font></font>
         i[2] = i[1] * 3;<font></font>
         threadLocal.set(i);<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     public static void muti5() {<font></font>
         int i[] = (int[]) threadLocal.get();<font></font>
         i[3] = i[2] * 5;<font></font>
         threadLocal.set(i);<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     public static void main(String args[]) {<font></font>
         for (int i = 0; i < 5; i++) {<font></font>
             new Thread() {<font></font>
                 public void run() {<font></font>
                     int start = new Random().nextInt(10);<font></font>
                     int end[] = {0, 0, 0, 0};<font></font>
                     end[0] = start;<font></font>
                     threadLocal.set(end);<font></font>
                     ThreadLocalApp.muti2();<font></font>
                     ThreadLocalApp.muti3();<font></font>
                     ThreadLocalApp.muti5();<font></font>
                     //int end = (int) threadLocal.get();<font></font>
                     System.out.println(end[0] + "  " + end[1] + "  " + end[2] + "  " + end[3]);<font></font>
                     threadLocal.remove();<font></font>
                 }<font></font>
             }.start();<font></font>
         }<font></font>
     }<font></font>
 }
複製程式碼

1.2 執行緒互動 - 執行緒不安全造成的問題

經典的HashMap的死迴圈造成CPU100％問題

我們模擬一個HashMap的死迴圈的示例：

//HashMap死迴圈示例<font></font>
public class HashMapDeadLoop {<font></font>
 <font></font>
     private HashMap hash = new HashMap();<font></font>
 <font></font>
     public HashMapDeadLoop() {<font></font>
         Thread t1 = new Thread() {<font></font>
             public void run() {<font></font>
                 for (int i = 0; i < 100000; i++) {<font></font>
                     hash.put(new Integer(i), i);<font></font>
                 }<font></font>
                 System.out.println("t1 over");<font></font>
             }<font></font>
         };<font></font>
 <font></font>
         Thread t2 = new Thread() {<font></font>
             public void run() {<font></font>
                 for (int i = 0; i < 100000; i++) {<font></font>
                     hash.put(new Integer(i), i);<font></font>
                 }<font></font>
                 System.out.println("t2 over");<font></font>
             }<font></font>
         };<font></font>
         t1.start();<font></font>
         t2.start();<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     public static void main(String[] args) {<font></font>
         for (int i = 0; i < 1000; i++) {<font></font>
             new HashMapDeadLoop();<font></font>
         }<font></font>
         System.out.println("end");<font></font>
     }<font></font>
 }<font></font>
https://coolshell.cn/articles/9606.html
複製程式碼

HashMap的死迴圈發生後，我們可以線上程棧中觀測到如下資訊：

/HashMap死迴圈產生的執行緒棧<font></font>
Thread-281" #291 prio=5 os_prio=31 tid=0x00007f9f5f8de000 nid=0x5a37 runnable [0x0000700006349000]<font></font>
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE<font></font>
       at java.util.HashMap$TreeNode.split(HashMap.java:2134)<font></font>
       at java.util.HashMap.resize(HashMap.java:713)<font></font>
       at java.util.HashMap.putVal(HashMap.java:662)<font></font>
       at java.util.HashMap.put(HashMap.java:611)<font></font>
       at com.example.demo.HashMapDeadLoop$2.run(HashMapDeadLoop.java:26)
複製程式碼

應用停滯的死鎖，Spring3.1的死鎖問題

我們模擬一個死鎖的示例：

//死鎖的示例<font></font>
public class DeadLock {<font></font>
     public static Integer i1 = 2000;<font></font>
     public static Integer i2 = 3000;<font></font>
         public static synchronized Integer getI2() {<font></font>
         try {<font></font>
             Thread.sleep(3000);<font></font>
         } catch (InterruptedException e) {<font></font>
             e.printStackTrace();<font></font>
         }<font></font>
         return i2;<font></font>
     }<font></font>
     public static void main(String args[]) {<font></font>
         Thread one = new Thread() {<font></font>
             public void run() {<font></font>
                 synchronized (i1) {<font></font>
                     try {<font></font>
                         Thread.sleep(3000);<font></font>
                     } catch (InterruptedException e) {<font></font>
                         e.printStackTrace();<font></font>
                     }<font></font>
                     synchronized (i2) {<font></font>
                         System.out.println(i1 + i2);<font></font>
                     }<font></font>
                 }<font></font>
             }<font></font>
         };<font></font>
         one.start();<font></font>
         Thread two = new Thread() {<font></font>
             public void run() {<font></font>
                 synchronized (i2) {<font></font>
                     try {<font></font>
                         Thread.sleep(3000);<font></font>
                     } catch (InterruptedException e) {<font></font>
                         e.printStackTrace();<font></font>
                     }<font></font>
                     synchronized (i1) {<font></font>
                         System.out.println(i1 + i2);<font></font>
                     }<font></font>
                 }<font></font>
             }<font></font>
         };<font></font>
         two.start();<font></font>
     }<font></font>
 }
複製程式碼

死鎖發生後，我們可以線上程棧中觀測到如下資訊：

//死鎖時產生堆疊<font></font>
"Thread-1":<font></font>
       at com.example.demo.DeadLock$2.run(DeadLock.java:47)<font></font>
       - waiting to lock  (a java.lang.Integer)<font></font>
       - locked  (a java.lang.Integer)<font></font>
"Thread-0":<font></font>
       at com.example.demo.DeadLock$1.run(DeadLock.java:31)<font></font>
       - waiting to lock  (a java.lang.Integer)<font></font>
       - locked  (a java.lang.Integer)<font></font>
Found 1 deadlock.
複製程式碼

1.3 基於潔悠神的優化示例

一個計數器的優化，我們分別用同步，ReentrantLock的，原子三種不同的方式來實現一個計數器，體會其中的效能差異

//示例程式碼<font></font>
public class SynchronizedTest {<font></font>
 <font></font>
     public static int threadNum = 100;<font></font>
     public static int loopTimes = 10000000;<font></font>
 <font></font>
     public static void userSyn() {<font></font>
         //執行緒數<font></font>
         Syn syn = new Syn();<font></font>
         Thread[] threads = new Thread[threadNum];<font></font>
         //記錄執行時間<font></font>
         long l = System.currentTimeMillis();<font></font>
         for (int i = 0; i < threadNum; i++) {<font></font>
             threads[i] = new Thread(new Runnable() {<font></font>
                 @Override<font></font>
                 public void run() {<font></font>
                     for (int j = 0; j < loopTimes; j++) {<font></font>
                         //syn.increaseLock();<font></font>
                         syn.increase();<font></font>
                     }<font></font>
                 }<font></font>
             });<font></font>
             threads[i].start();<font></font>
         }<font></font>
         //等待所有執行緒結束<font></font>
         try {<font></font>
             for (int i = 0; i < threadNum; i++)<font></font>
                 threads[i].join();<font></font>
         } catch (InterruptedException e) {<font></font>
             e.printStackTrace();<font></font>
         }<font></font>
         System.out.println("userSyn" + "-" + syn + " : " + (System.currentTimeMillis() - l) + "ms");<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     public static void useRea() {<font></font>
         //執行緒數<font></font>
         Syn syn = new Syn();<font></font>
         Thread[] threads = new Thread[threadNum];<font></font>
         //記錄執行時間<font></font>
         long l = System.currentTimeMillis();<font></font>
         for (int i = 0; i < threadNum; i++) {<font></font>
             threads[i] = new Thread(new Runnable() {<font></font>
                 @Override<font></font>
                 public void run() {<font></font>
                     for (int j = 0; j < loopTimes; j++) {<font></font>
                         syn.increaseLock();<font></font>
                         //syn.increase();<font></font>
                     }<font></font>
                 }<font></font>
             });<font></font>
             threads[i].start();<font></font>
         }<font></font>
         //等待所有執行緒結束<font></font>
         try {<font></font>
             for (int i = 0; i < threadNum; i++)<font></font>
                 threads[i].join();<font></font>
         } catch (InterruptedException e) {<font></font>
             e.printStackTrace();<font></font>
         }<font></font>
         System.out.println("userRea" + "-" + syn + " : " + (System.currentTimeMillis() - l) + "ms");<font></font>
     }<font></font>
    public static void useAto() {<font></font>
         //執行緒數<font></font>
         Thread[] threads = new Thread[threadNum];<font></font>
         //記錄執行時間<font></font>
         long l = System.currentTimeMillis();<font></font>
         for (int i = 0; i < threadNum; i++) {<font></font>
             threads[i] = new Thread(new Runnable() {<font></font>
                 @Override<font></font>
                 public void run() {<font></font>
                     for (int j = 0; j < loopTimes; j++) {<font></font>
                         Syn.ai.incrementAndGet();<font></font>
                     }<font></font>
                 }<font></font>
             });<font></font>
             threads[i].start();<font></font>
         }<font></font>
         //等待所有執行緒結束<font></font>
         try {<font></font>
             for (int i = 0; i < threadNum; i++)<font></font>
                 threads[i].join();<font></font>
         } catch (InterruptedException e) {<font></font>
             e.printStackTrace();<font></font>
         }<font></font>
         System.out.println("userAto" + "-" + Syn.ai + " : " + (System.currentTimeMillis() - l) + "ms");<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     public static void main(String[] args) {<font></font>
         SynchronizedTest.userSyn();<font></font>
         SynchronizedTest.useRea();<font></font>
         SynchronizedTest.useAto();<font></font>
     }<font></font>
 }<font></font>
 <font></font>
 class Syn {<font></font>
     private int count = 0;<font></font>
     public final static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(0);<font></font>
 <font></font>
     private Lock lock = new ReentrantLock();<font></font>
 <font></font>
     public synchronized void increase() {<font></font>
         count++;<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     public void increaseLock() {<font></font>
         lock.lock();<font></font>
         count++;<font></font>
         lock.unlock();<font></font>
     }<font></font>
 <font></font>
     @Override<font></font>
     public String toString() {<font></font>
         return String.valueOf(count);<font></font>
     }<font></font>
 }
複製程式碼

結論：在併發量高，迴圈次數多的情況，可重入鎖的效率高於同步，但最終原子效能最好。

二、通訊

2.1 資料庫連線池的高效問題

一定要在最後接近中連線
一定要在最後釋出中連線

2.2 OIO / NIO / AIO

	OIO	NIO	AIO
型別	阻塞	非阻塞	非阻塞
使用難度	簡單	複雜	複雜
可靠性	差	高	高
吞吐量	低	高	高

結論：當效能有嚴苛要求時，應該儘量採用NIO的方式進行通訊。

2.3 TIME_WAIT（客戶端），CLOSE_WAIT（伺服器）問題

反應：經常性的請求失敗

獲取連線情況netstat -n | awk'/ ^ tcp / {++ S [$ NF]} END {for（a in a）print a，S [a]}'

TIME_WAIT：表示主動關閉，優化系統核心引數可。
CLOSE_WAIT：表示被動關閉。
ESTABLISHED：表示正在通訊

解決方案：二階段完成後強制關閉

2.4 序列連線，持久連線（長連線），管道化連線

結論

管道連線的效能最優異，持久化是在序列連線的基礎上減少了開啟/關閉連線的時間。

管道化連線使用限制：

HTTP客戶端無法確認持久化（一般是伺服器到伺服器，非終端使用）;
響應資訊順序必須與請求資訊順序一致;
必須支援冪等操作才可以使用管道化連線。

三、資料庫操作

必須要有索引（特別注意按時間查詢）
單條操作或批量操作

注：很多程式設計師在寫程式碼的時候隨意採用了單條操作的方式，但在效能要求前提下，要求採用批量操作方式。

四、JVM

4.1 CPU標高的一般處理步驟

頂部查詢出哪個程式消耗的CPU高
top -H -p查詢出哪個執行緒消耗的cpu高
記錄消耗CPU最高的幾個執行緒
printf％x進行pid的進位制轉換
jstack記錄程式的堆疊資訊
找出消耗CPU最高的執行緒資訊

4.2 記憶體標高（OOM）一般處理步驟

jstat命令檢視FGC發生的次數和消耗的時間，次數越多，耗時越長說明存在問題;
連續檢視jmap -heap檢視老生代的佔用情況，變化越大說明程式存在問題;
使用連續的jmap -histo：live命令匯出檔案，比對載入物件的差異，差異部分一般是發生問題的地方。

4.3 GC引起的單核標高

單個CPU佔用率高，首先從GC查起。

4.4 常見SY標高

執行緒上下文e月刊頻繁
執行緒太多
鎖競爭激烈

4.5 愛荷華州標高

如果IO的CPU佔用很高，排查涉及到IO的程式，比如把OIO改造成NIO。

4.6 抖動問題

原因：位元組碼轉為機器碼需要佔用CPU時間片，大量的CPU在執行位元組碼時，導致CPU長期處於高位;

現象：“C2 CompilerThread1”守護程式，“C2 CompilerThread0”守護程式CPU佔用率最高;

解決辦法：保證編譯執行緒的CPU佔比。

作者：樑鑫

來源：宜信技術學院

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