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Java 應(yīng)用性能優(yōu)化（1）

tulayang / 2919人閱讀

摘要：應(yīng)用性能優(yōu)化是一個(gè)程序員必須要考慮的問題，典型的性能問題如頁面響應(yīng)慢接口超時(shí)，服務(wù)器負(fù)載高并發(fā)數(shù)低，數(shù)據(jù)庫頻繁死鎖等。診斷對于主要關(guān)注平均負(fù)載，使用率，上下文切換次數(shù)。應(yīng)用診斷及工具應(yīng)用代碼性能問題是相對好解決的一類性能問題。

Java 應(yīng)用性能優(yōu)化是一個(gè)程序員必須要考慮的問題，典型的性能問題如頁面響應(yīng)慢、接口超時(shí)，服務(wù)器負(fù)載高、并發(fā)數(shù)低，數(shù)據(jù)庫頻繁死鎖等。
Java應(yīng)用性能的瓶頸點(diǎn)非常多，比如磁盤、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò) I/O 等系統(tǒng)因素，Java 應(yīng)用代碼，JVM GC，數(shù)據(jù)庫，緩存等。可以將 Java 性能優(yōu)化分為 4 個(gè)層級：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)庫層、框架層、JVM 層，如圖 1 所示。

                                      圖 1.Java 性能優(yōu)化分層模型

每層優(yōu)化難度逐級增加，涉及的知識和解決的問題也會不同。比如應(yīng)用層需要理解代碼邏輯，通過 Java 線程棧定位有問題代碼行等；數(shù)據(jù)庫層面需要分析 SQL、定位死鎖等；框架層需要懂源代碼，理解框架機(jī)制；JVM 層需要對 GC 的類型和工作機(jī)制有深入了解，對各種 JVM 參數(shù)作用了然于胸。

1 CPU 診斷
對于 CPU 主要關(guān)注平均負(fù)載（Load Average），CPU 使用率，上下文切換次數(shù)（Context Switch）。
通過 top 命令可以查看系統(tǒng)平均負(fù)載和 CPU 使用率，圖 2 為通過 top 命令查看某系統(tǒng)的狀態(tài)。

                                          圖 2.top 命令示例

平均負(fù)載有三個(gè)數(shù)字：63.66，58.39，57.18，分別表示過去 1 分鐘、5 分鐘、15 分鐘機(jī)器的負(fù)載。按照經(jīng)驗(yàn)，若數(shù)值小于 0.7*CPU 個(gè)數(shù)，則系統(tǒng)工作正常；若超過這個(gè)值，甚至達(dá)到 CPU 核數(shù)的四五倍，則系統(tǒng)的負(fù)載就明顯偏高。
圖 2 中 15 分鐘負(fù)載已經(jīng)高達(dá) 57.18，1 分鐘負(fù)載是 63.66（系統(tǒng)為 16 核），說明系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)載問題，且存在進(jìn)一步升高趨勢，需要定位具體原因了。
通過 vmstat 命令可以查看 CPU 的上下文切換次數(shù)：
上下文切換次數(shù)發(fā)生的場景主要有如下幾種：
? 1）時(shí)間片用完，CPU 正常調(diào)度下一個(gè)任務(wù)；
? 2）被其它優(yōu)先級更高的任務(wù)搶占；
? 3）執(zhí)行任務(wù)碰到 I/O 阻塞，掛起當(dāng)前任務(wù)，切換到下一個(gè)任務(wù)；
? 4）用戶代碼主動(dòng)掛起當(dāng)前任務(wù)讓出 CPU；
? 5）多任務(wù)搶占資源，由于沒有搶到被掛起；
? 6）硬件中斷。
Java 線程上下文切換主要來自共享資源的競爭。一般單個(gè)對象加鎖很少成為系統(tǒng)瓶頸，除非鎖粒度過大。但在一個(gè)訪問頻度高，對多個(gè)對象連續(xù)加鎖的代碼塊中就可能出現(xiàn)大量上下文切換，成為系統(tǒng)瓶頸。
比如在我們系統(tǒng)中就曾出現(xiàn) log4j 1.x 在較大并發(fā)下大量打印日志，出現(xiàn)頻繁上下文切換，大量線程阻塞，導(dǎo)致系統(tǒng)吞吐量大降的情況，其相關(guān)代碼如清單 1 所示，升級到 log4j 2.x 才解決這個(gè)問題。

2 Memory
從操作系統(tǒng)角度，內(nèi)存關(guān)注應(yīng)用進(jìn)程是否足夠，可以使用 free –m 命令查看內(nèi)存的使用情況。
通過 top 命令可以查看進(jìn)程使用的虛擬內(nèi)存 VIRT 和物理內(nèi)存 RES，根據(jù)公式 VIRT = SWAP + RES 可以推算出具體應(yīng)用使用的交換分區(qū)（Swap）情況，使用交換分區(qū)過大會影響 Java 應(yīng)用性能，可以將 swappiness 值調(diào)到盡可能小。
因?yàn)閷τ?Java 應(yīng)用來說，占用太多交換分區(qū)可能會影響性能，畢竟磁盤性能比內(nèi)存慢太多。
3 I/O
I/O 包括磁盤 I/O 和網(wǎng)絡(luò) I/O，一般情況下磁盤更容易出現(xiàn) I/O 瓶頸。通過 iostat 可以查看磁盤的讀寫情況，通過 CPU 的 I/O wait 可以看出磁盤 I/O 是否正常。
如果磁盤 I/O 一直處于很高的狀態(tài)，說明磁盤太慢或故障，成為了性能瓶頸，需要進(jìn)行應(yīng)用優(yōu)化或者磁盤更換。
4 Java 應(yīng)用診斷及工具
應(yīng)用代碼性能問題是相對好解決的一類性能問題。通過一些應(yīng)用層面監(jiān)控報(bào)警（UMP），如果確定有問題的功能和代碼，直接通過代碼就可以定位；或者通過 top+jstack，找出有問題的線程棧，定位到問題線程的代碼上，也可以發(fā)現(xiàn)問題。對于更復(fù)雜，邏輯更多的代碼段，通過 Stopwatch 打印性能日志往往也可以定位大多數(shù)應(yīng)用代碼性能問題。
常用的 Java 應(yīng)用診斷包括線程、堆棧、GC 等方面的診斷。
jstack
jstack 命令通常配合 top 使用，通過 top -H -p pid 定位 Java 進(jìn)程和線程，再利用 jstack -l pid 導(dǎo)出線程棧。由于線程棧是瞬態(tài)的，因此需要多次 dump，一般 3 次 dump，一般每次隔 5s 就行。將 top 定位的 Java 線程 pid 轉(zhuǎn)成 16 進(jìn)制，得到 Java 線程棧中的 nid，可以找到對應(yīng)的問題線程棧。
JProfiler
JProfiler 可對 CPU、堆、內(nèi)存進(jìn)行分析，功能強(qiáng)大.

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