Java 应用性能优化（1）

Java 应用性能优化是一个程序员必须要考虑的问题，典型的性能问题如页面响应慢、接口超时，服务器负载高、并发数低，数据库频繁死锁等。
Java应用性能的瓶颈点非常多，比如磁盘、内存、网络 I/O 等系统因素，Java 应用代码，JVM GC，数据库，缓存等。可以将 Java 性能优化分为 4 个层级：应用层、数据库层、框架层、JVM 层，如图 1 所示。

图 1.Java 性能优化分层模型

每层优化难度逐级增加，涉及的知识和解决的问题也会不同。比如应用层需要理解代码逻辑，通过 Java 线程栈定位有问题代码行等；数据库层面需要分析 SQL、定位死锁等；框架层需要懂源代码，理解框架机制；JVM 层需要对 GC 的类型和工作机制有深入了解，对各种 JVM 参数作用了然于胸。

1 CPU 诊断
对于 CPU 主要关注平均负载（Load Average），CPU 使用率，上下文切换次数（Context Switch）。
通过 top 命令可以查看系统平均负载和 CPU 使用率，图 2 为通过 top 命令查看某系统的状态。

图 2.top 命令示例

平均负载有三个数字：63.66，58.39，57.18，分别表示过去 1 分钟、5 分钟、15 分钟机器的负载。按照经验，若数值小于 0.7*CPU 个数，则系统工作正常；若超过这个值，甚至达到 CPU 核数的四五倍，则系统的负载就明显偏高。
图 2 中 15 分钟负载已经高达 57.18，1 分钟负载是 63.66（系统为 16 核），说明系统出现负载问题，且存在进一步升高趋势，需要定位具体原因了。
通过 vmstat 命令可以查看 CPU 的上下文切换次数：
上下文切换次数发生的场景主要有如下几种：
• 1）时间片用完，CPU 正常调度下一个任务；
• 2）被其它优先级更高的任务抢占；
• 3）执行任务碰到 I/O 阻塞，挂起当前任务，切换到下一个任务；
• 4）用户代码主动挂起当前任务让出 CPU；
• 5）多任务抢占资源，由于没有抢到被挂起；
• 6）硬件中断。
Java 线程上下文切换主要来自共享资源的竞争。一般单个对象加锁很少成为系统瓶颈，除非锁粒度过大。但在一个访问频度高，对多个对象连续加锁的代码块中就可能出现大量上下文切换，成为系统瓶颈。
比如在我们系统中就曾出现 log4j 1.x 在较大并发下大量打印日志，出现频繁上下文切换，大量线程阻塞，导致系统吞吐量大降的情况，其相关代码如清单 1 所示，升级到 log4j 2.x 才解决这个问题。

2 Memory
从操作系统角度，内存关注应用进程是否足够，可以使用 free –m 命令查看内存的使用情况。
通过 top 命令可以查看进程使用的虚拟内存 VIRT 和物理内存 RES，根据公式 VIRT = SWAP + RES 可以推算出具体应用使用的交换分区（Swap）情况，使用交换分区过大会影响 Java 应用性能，可以将 swappiness 值调到尽可能小。
因为对于 Java 应用来说，占用太多交换分区可能会影响性能，毕竟磁盘性能比内存慢太多。
3 I/O
I/O 包括磁盘 I/O 和网络 I/O，一般情况下磁盘更容易出现 I/O 瓶颈。通过 iostat 可以查看磁盘的读写情况，通过 CPU 的 I/O wait 可以看出磁盘 I/O 是否正常。
如果磁盘 I/O 一直处于很高的状态，说明磁盘太慢或故障，成为了性能瓶颈，需要进行应用优化或者磁盘更换。
4 Java 应用诊断及工具
应用代码性能问题是相对好解决的一类性能问题。通过一些应用层面监控报警（UMP），如果确定有问题的功能和代码，直接通过代码就可以定位；或者通过 top+jstack，找出有问题的线程栈，定位到问题线程的代码上，也可以发现问题。对于更复杂，逻辑更多的代码段，通过 Stopwatch 打印性能日志往往也可以定位大多数应用代码性能问题。
常用的 Java 应用诊断包括线程、堆栈、GC 等方面的诊断。
jstack
jstack 命令通常配合 top 使用，通过 top -H -p pid 定位 Java 进程和线程，再利用 jstack -l pid 导出线程栈。由于线程栈是瞬态的，因此需要多次 dump，一般 3 次 dump，一般每次隔 5s 就行。将 top 定位的 Java 线程 pid 转成 16 进制，得到 Java 线程栈中的 nid，可以找到对应的问题线程栈。
JProfiler
JProfiler 可对 CPU、堆、内存进行分析，功能强大.