從虛擬機器視角談Java應用效能最佳化

Java 的普及和廣泛應用，以及其基於虛擬機器啟動並執行機制，使得效能問題越來越重要。本文從 JAVA 虛擬機器的角度，特別是記憶體回收機制來剖析了 Java 應用程式設計需要注意的方面，並總結出了幾條非常容易被忽視的設計、編寫代碼的原則和習慣。最後通過執行個體來介紹幾種主要的 Java Profiler 工具對我們進行開發和分析的協助。本文要求讀者具有一定的 JAVA 虛擬機器的基礎知識，一定的 Java 設計模式和開發經驗。通過閱讀本文，讀者能從 Java 啟動並執行本質上對效能方面有一個很好的把握，在設計和編碼的過程中，遵循文中總結的原則和習慣，對於提高效能、可維護性、可擴充性很有協助。同時讓讀者瞭解利用 profiler 工具來分析 Java 程式的效能。

開始之前

Java 平台已無處不在，Java EE、Java SE、Java ME 和 Java Card，Java 的發展為無數程式員提供了工作機會，都是“Java”，然而除了基本的 Java 文法大都一致外，程式員必須基於不同的平台有不同的考慮，學習不同平台的特點：

不同平台的環境

Java EE 所啟動並執行硬體伺服器、作業系統，Java SE 所在 PC 機的體繫結構（X86/X64、MAC、SPARC 等），Java ME 所啟動並執行手機或行動裝置，Java Card 所在的智慧卡晶片類型等；

不同平台虛擬機器的特點

如是否支援多線程（這似乎是毋庸置疑，但是在 Java Card 平台上，由於計算資源相當有限，多線程目前還不被支援），Java EE 和 Java SE 的虛擬機器特性幾乎相同，而 Java ME 虛擬機器（KVM）根據行動裝置的特點進行裁剪和最佳化，以適應於有限的實體記憶體和儲存空間，而根據裝置處理能力的強弱還分為 CDC（Connected Device Configuration，連網裝置配置）和 CLDC（Connected Limited Device Configuration，連網受限裝置配置），更小裝置和智慧卡的虛擬機器 JCVM（Java Card VM）更是裁剪了許多特性，如多線程、許多複雜資料類型的支援、主動的垃圾收集機制等，這甚至導致了對 Java 文法集的裁剪；

不同平台的 API 和可用的第三方庫

Java EE 和 Java SE 是超集與子集的關係，因為她們所處的電腦平台和作業系統目前很好的相容，而 Java ME 和 Java Card 與 EE 和 SE 是 Totally different，除了 java.lang.*，部分 java.io.* 等核心類庫保留外，其他的 API 和類庫完全不同。java.microedition.* 和 javax.microedition.* 表明這是 ME 平台，javacard.* 表明這是 Java Card 平台。同時，由於 EE 和 SE 平台的普及程度和開發人員人數，使得之上的第三方庫十分海量。深入瞭解和掌握平台的 API 和庫是不同平台程式員進階的必由之路。

從這個角度上說，Java 在不同的平台之間，並不是“一次編寫、處處運行”，考慮應用程式的設計和最佳化的時候，首先要看是在什麼平台上，因為源於以上不同的特點，編程模型、設計模式，甚至語言集都不盡相同。在這裡我們著重考慮 Java EE 和 SE 的視角，但有很多設計、編程原則和習慣對於所有平台的程式員來說，都適用。

JAVA 虛擬機器

JAVA 虛擬機器是支援 Java 語言啟動並執行基礎，避開過多的 JVM 和實現的技術細節，我們對基礎架構進行瞭解，是進行應用程式最佳化必不可少的。如下圖所示：

圖 1. JAVA 虛擬機器體繫結構