Java程式效能最佳化——效能調優層次

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       為了提升系統效能，開發人員可以從系統的各個角度和層次對系統進行最佳化。除了最常見的代碼最佳化外，在軟體架構上、JVM虛擬機器層、資料庫以及作業系統層都可以通過各種手段進行調優，從而在整體上提升系統的效能。

 

設計調優

       設計調優處於所有調優手段的上層，它往往需要在軟體開發之前進行。在軟體開發之初，軟體架構師就應該評估系統可能存在的各種潛在的問題，並給出合理的設計方案。由於軟體設計和架構對軟體整體有決定性的影響，所以，設計調優對系統效能的影響也是最大的。如果說，代碼最佳化、JVM最佳化都是對系統微觀層面上“量”的最佳化，那麼設計最佳化就是對系統在宏觀層面上“質”的最佳化。

設計最佳化的一大顯著特點是，它可以規避某一個組件的效能問題，而非改良該組件的實現。比如，系統中組件A需要等待某事件E才能出發一個行為。如果組件A通過迴圈監控不斷檢測事件E是否發生，其監測行為必然會佔用部分系統資源，因此，開發人員必須在監測頻率和資源消耗間擷取平衡。如果監測頻率太低，雖然減少了資源消耗，但是系統即時反應性就會降低。如果進行代碼層的調優，就需要最佳化監測方法的實現以及求得一個恰當的監測頻率。

而若將此問題預留在設計層解決，便可以使用事件通知的方式將系統行為進行倒置。如果使用觀察者設計模式，在事件E發生的時刻，由事件E通知群組件A，從而觸發組件A的行為。這種設計方法棄用了存在效能隱患的迴圈監控，從根本上解決了這個問題。

從某種程度上說，設計最佳化直接決定了系統的整體品質。如果在設計層考慮不周，留下太多問題隱患，那麼這些“質”上的問題，也許無法再通過代碼層的最佳化進行彌補。因此，開發人員必須在軟體設計之初，認真仔細考慮軟體系統的效能問題。

進行設計最佳化時，設計人員必須熟悉常用的軟體設計方法、設計模式、基本效能組件和常用最佳化思想，並將其有機地整合在軟體系統中。

註：一個良好的系統設計可以規避很多潛在的效能問題。因此，儘可能多花費時間在系統設計上，是建立高效能程式的關鍵。

 

代碼調優

       代碼調優是在軟體開發過程中，或者在軟體開發完成後，軟體維護過程中進行的對程式碼的改進與最佳化。代碼最佳化涉及諸多編碼技巧，需要開發人員熟悉相關語言的API，並在合適的情境中正確使用相關的API和類庫。同時，對演算法、資料結構的靈活使用，也是代碼最佳化的重要內容。

       雖然代碼最佳化時從微觀上對效能進行調整，但是一個“好”的實現和一個“壞”的實現對系統的影響也是非常大的。比如，同樣作為List的實現，LinkedList和ArrayList在隨機訪問上的效能卻可以相差幾個數量級；又如，同樣是檔案讀寫的實現，使用Stream方式與Java NIO的方式，其效能可能又會相差一個數量級。

       因此，雖然與設計最佳化相比，筆者將代碼最佳化稱為在微觀層面上的最佳化，但是它卻是對系統效能產生最直接影響的最佳化方法。

 

 JVM調優

       由於Java軟體總是運行在JVM虛擬機器之上，對JVM虛擬機器進行最佳化也能在一定程度上提升Java程式的效能。JVM調優通常可以在軟體開發後期進行，如在軟體開發完成，或者在軟體開發的某個裡程碑階段。

       作為Java軟體的運行平台，JVM的各項參數將會直接影響Java程式的效能。比如，JVM的堆大小、記憶體回收策略等。

       要進行JVM層面的調優，需要開發人員對JVM的運行原理和基本記憶體結構有一定瞭解。如，堆記憶體的結構，GC的種類等。然後，依據應用程式的特點，設定合理的JVM啟動參數。

 

資料庫調優

       對絕大部分應用系統而言，資料庫是必不可少的一部分。Java程式可以使用JDBC的方式串連資料庫。對資料庫的調優可以分為3個部分：

       □在應用程式層對SQL語句進行最佳化；

       □對資料庫進行最佳化；

       □對資料庫軟體進行最佳化。

       在應用程式層最佳化資料庫訪問，涉及大量的編程技巧。比如，當使用JDBC進行查詢操作時，對於大量的擁有相同結構的SQL查詢，可以使用PreparedStatement代替Statement，以提高資料庫的查詢效率；在Select語句中，顯示指定要查詢的列名，避免使用“*”。

       在對資料庫進行最佳化時，主要目的是建立一個具有良好表結構的資料庫。比如，為了提高多表級聯查詢效率，可以合理地使用冗餘欄位；對於大表，可以使用行的水平切割或者類似Oracle分區表的技術；為了提高資料庫查詢效率，可以建立有效且合理的索引。

       對於資料庫軟體的最佳化，根據不同的資料庫，如Oracle、MySQL或者SQL Server都擁有不同的方式。以Oracle為例，設定合理大小的共用池、緩衝緩衝區或者PGA，對Oracle的運行效能都有很大的影響。

 

作業系統調優

       作為軟體啟動並執行基礎平台，作業系統的效能對應用系統也有較大的影響。不同類型的作業系統，最佳化的手段和參數可能會有所不同。比如，在主流UNIX系統中，共用記憶體段、訊號量、共用記憶體最大值(shmmax)、共用內部才能最小值(shmmin)等都是可以進行最佳化的系統資源。此外，如最大檔案控制代碼數、虛擬記憶體大小、磁碟的塊大小等參數都可能對軟體的效能產生影響。

 

       存在效能問題的系統，十之八九是由某一個系統瓶頸導致的。只要找到該效能瓶頸，分析瓶頸的形成原因，對症下藥，使用合理的方法解決效能瓶頸，就能從根本上提升效能。所以，系統效能最佳化的最主要的就是尋找並解決效能瓶頸問題。但同時值得注意的是，效能最佳化往往會涉及對原來的實現進行較大的修改，因此，很難保證這些修改不會引入新的問題。所以，在效能最佳化前，需要對效能最佳化的目標、方法進行統籌的安排。

       對軟體系統進行最佳化，首先需要有明確的效能目標，清楚地指出最佳化的對象和最終目標。其次，需要在目標平台上對軟體進行測試，通過各種效能監控和統計工具，觀測和確認當前系統是否已經達到相關目標，若已經達到，則沒有必要再進行最佳化；若當前系統效能尚未達到最佳化目標，則需要尋找當前的效能瓶頸。

以上文字整理自：  [Java程式效能最佳化-.讓你的Java程式更快、更穩定].葛一鳴等編著

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