Java程序性能优化——性能调优层次

       为了提升系统性能，开发人员可以从系统的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都可以通过各种手段进行调优，从而在整体上提升系统的性能。

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。在软件开发之初，软件架构师就应该评估系统可能存在的各种潜在的问题，并给出合理的设计方案。由于软件设计和架构对软件整体有决定性的影响，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需要等待某事件E才能出发一个行为。如果组件A通过循环监控不断检测事件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间获取平衡。如果监测频率太低，虽然减少了资源消耗，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恰当的监测频率。

而若将此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。如果使用观察者设计模式，在事件E发生的时刻，由事件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，从根本上解决了这个问题。

从某种程度上说，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，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。

代码调优

       代码调优是在软件开发过程中，或者在软件开发完成后，软件维护过程中进行的对程序代码的改进与优化。代码优化涉及诸多编码技巧，需要开发人员熟悉相关语言的API，并在合适的场景中正确使用相关的API和类库。同时，对算法、数据结构的灵活使用，也是代码优化的重要内容。

       虽然代码优化时从微观上对性能进行调整，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。

 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层面的调优，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。

数据库调优

       对绝大部分应用系统而言，数据库是必不可少的一部分。Java程序可以使用JDBC的方式连接数据库。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进行查询操作时，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“*”。

       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，可以合理地使用冗余字段；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。

操作系统调优

       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，优化的手段和参数可能会有所不同。比如，在主流UNIX系统中，共享内存段、信号量、共享内存最大值(shmmax)、共享内部才能最小值(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。

       存在性能问题的系统，十之八九是由某一个系统瓶颈导致的。只要找到该性能瓶颈，分析瓶颈的形成原因，对症下药，使用合理的方法解决性能瓶颈，就能从根本上提升性能。所以，系统性能优化的最主要的就是查找并解决性能瓶颈问题。但同时值得注意的是，性能优化往往会涉及对原来的实现进行较大的修改，因此，很难保证这些修改不会引入新的问题。所以，在性能优化前，需要对性能优化的目标、方法进行统筹的安排。

       对软件系统进行优化，首先需要有明确的性能目标，清楚地指出优化的对象和最终目标。其次，需要在目标平台上对软件进行测试，通过各种性能监控和统计工具，观测和确认当前系统是否已经达到相关目标，若已经达到，则没有必要再进行优化；若当前系统性能尚未达到优化目标，则需要查找当前的性能瓶颈。

以上文字整理自：  [Java程序性能优化-.让你的Java程序更快、更稳定].葛一鸣等编著

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Java程序性能优化——性能调优层次

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