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Java 程序性能优化《第一章》Java性能调优概述 1.2性能调优的层次

简介:

Java 程序性能优化《第一章》1.2性能调优的层次

为了提升系统性能,开发人员开始从系统各个角度和层次对系统进行优化。除了最常见的代码优化外,在软件架构上、JVM虚拟机层、数据库以及操作系统层面都可以通过各种手段进行优化,从而在整体上提升系统的性能。

1.2.1 设计调优

设计调优处于所有调优手段的上层,它往往需要在软件开发之前进行。在软件开发之处,软件架构师就应该评估系统可能存在的各种潜在问题,并给出合理的设计方案。由于软件设计和架构对整体质量有决定性的影响,所以,设计调优对系统性能的影响也是最大的。如果说,代码优化、JVM优化都是对系统微观层面上 “ 量 ” 的优化,那么设计优化就是对系统在宏观层面上 “ 质 ” 的优化。
设计优化的一大显著特点是,它可以规避某一个组件的性能问题,而非改良该组件的实现。比如,系统中组件A需要等待事件E才能触发的行为。如果组件A通过循环监控不断监测事件E是否发生,其监测行为必然会占用部分系统资源,因此,开发人员必须在监测频率和资源消耗取得平衡。如果监测频率太低,虽然减少的资源的消耗,但是系统实时反应性就会降低。如果进行代码层的调优,就需要优化监测方法的实现以及求得一个最为恰当的频率。
而若将次问题预留在设计层解决,便可以使用事件通知的方式将系统行为进行倒置。如使用第2章中提到的观察者模式,在事件E发生的时刻,有事件E通知组件A,从而触发组件A的行为。这种设计方法弃用了存在性能隐患的循环监控,从根本上解决了这一问题。
从某种角度上来说,设计优化直接决定了系统的整体品质。如果在设计层考虑不周到,留下太多问题隐患,那么这些 “ 质 ” 上的问题,也许无法再通过代码层的优化进行弥补。因此,开发人员必须在软件设计之初,认真仔细考虑软件系统的性能问题。
进行设计优化时,设计人员必须熟悉常用的软件设计方法、设计模式、基本性能组件、和常用优化思想,并将其有机地集成在软件系统中。

ps:一个良好的系统设计可以规避很多潜在的性能问题。因此尽可能的多花些时间在系统设计上,是创建高性能程序的关键。

1.2.2 代码调化

代码调优是在软件开发过程中,或许在软件开发完成后,软件维护过程中进行的对程序代码的改进和优化。代码优化设计诸多编程技巧,需要开发人员熟悉相关语言的API,并在合适的场景中正确的使用相关API或类库。同时,对算法、数据结构的灵活运用,也是代码优化的重要内容。
虽然代码优化是从微观上对性能的进行调整,但是一个 “ 好 ” 的实现和一个 “ 坏 ” 的实现对系统的影响也是非常大的。比如,同样作为List的实现,LinkedList 和 ArrayList 在随机访问上的性能却可以相差几个数量级;又如,同样是文件读写的实现,使用 Stream 方式与 Java NIO 的方式,其性能可能又会相差一个数量级。
因此,虽然与设计优化相比,笔者将代码优化称为在微观层面上的优化,但是它却是对系统性能产生最直接影响的优化方法。

1.2.3 JVM 调优

由于Java 软件总是运行在JVM虚拟机之上,对JVM虚拟机进行优化也能在一定程度上提升Java程序的性能。JVM调优通常可以在软件开发后期进行,如在软件开发完成,或者在软件开发的某一个里程碑阶段。
作为Java 软件的运行平台,JVM的各项参数将会直接影响Java程序的性能。比如,JVM的堆大小、垃圾回收策略等。
要进行JVM层面调优,需要开发人员对JVM的运行原理和基本内存结构有一定了解。如,堆内存的结构、GC的种类等。然后依据应用程序的特点,设置合理的JVM启动参数。

1.2.4 数据库调优

对绝大多数应用系统而言,数据库是必不可少的一部分。Java程序可以使用JDBC方式连接数据库。对数据库的调优可以分为3个部分:
  • 在应用层对SQL语句进行优化。
  • 对数据库进行优化。
  • 对数据库软件进行优化。
在应用层优化数据库访问,涉及大量的编程技巧。比如,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 “ * ” 。
在对数据库进行优化时,主要目的是建立一个具有良好表结构的数据库。比如,为了提高多表级联查询效率,可以合理的使用冗余字段;对于大表,可以使用行的水平切割或者类似Oracle分区表的技术;为了提高数据库查询效率,可以建立有效且合理的索引。
对于数据库软件的优化,根据不同的数据库,如 Oracle、MySQL或者SQL Server 都拥有不同的方式。以Oracle 为例,设置合理大小的共享池、缓存缓冲区或者PGA,对Oracle的运行性能都有很大的影响。
鉴于本书的讨论范围,数据库优化将不作为本书的阐述重点。

1.2.5 操作系统优化

作为软件运行的基础平台,操作系统的性能对应用系统也有较大的影响。不同类型的操作系统,调优手段和参数可能会有所不同。比如,在主流的UNIX系统中,共享内存段、信号量、共享内存最大值(shmmax)、内存共享最小值(shmmin)等都是可以进行优化的系统资源。此外,如最大文件句柄数、虚拟内存大小、磁盘的块大小等参数都可能对软件的性能产生影响。图1.5展示了在Windows平台上,配置虚拟内存的界面。

图 1.5 Windows 下设置虚拟内存
ps:操作系统的性能调优不在本书的讨论范围内,有兴趣的读者可以参考相关书籍。

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