概述

随着Java的广泛应用，越来越多的关键企业系统也使用Java构建。作为Java核心运行环境的Java虚拟机JVM被广泛地部署在各种系统平台上。对Java应用的性能优化也越来越受到关注；谈到Java应用的性能问题就不得不涉及到两个方面：一是Java应用的构造是否是最优化的；二是对JVM的微调。本文将从一般意义上对Java性能的优化做一些总结。

Java性能优化的策略

一谈到性能优化，往往会被认为是应用开发和部署过程中或之后的事情，其实不然。如果想要构建一个最优化的系统，我们必须从该系统的需求��析和业务模型设计之初就要考虑到性能的最优化问题；当然对于一个已经构造好的系统来讲，我们能做的只是在不改变系统代码的前提下，尽量地在该系统的部署方案和运行环境上下功夫。由此，我们得出一个结论就是：所谓最优化是一个相对的概念，一个系统是否是最优化的，必须基于某个大前提来进行评判。因此，在进行优化分析之前一定要把握好前提条件是什么。

如上图所示，可以看出，对系统性能提高贡献最大、最明显的是从业务层面和架构层面所作的分析和优化；最不明显的是对系统平台和硬件层面以及网络层面的优化。因此在着手对目标系统进行优化分析之前，我们一定要从优化最明显、贡献最大的方面着手。这样有助于我们在最大程度上去提高系统性能。

以下我们将针对Java系统的性能优化，从代码编写和JVM两个角度着手，总结一下常见的方法和思路。

编写性能高效的Java代码

根据GC的工作原理，我们可以通过一些技巧和方式，让GC运行更加有效率，更加符合应用程序的要求。以下就是一些程序设计的几点建议：

1）避免对象创建和GC

只要有可能，应该避免创建对象，防止调用构造函数带来的相关性能成本，以及在对象结束其生命周期时进行垃圾收集所带来的成本。考虑以下这些准则：

只要有可能，就使用基本变量类型，而不使用对象类型。例如，使用 int，而不使用 Integer；

缓存那些频繁使用的寿命短的对象，避免一遍又一遍地重复创建相同的对象，并因此加重垃圾收集的负担；

在处理字符串时，使用 StringBuffer 而不使用字符串String进行连接操作，因为字符串对象具有不可变的特性，并且需要创建额外的字符串对象以完成相应的操作，而这些对象最终必须经历 GC；

避免过度地进行 Java 控制台的写操作，降低字符串对象处理、文本格式化和输出带来的成本；

实现数据库连接池，重用连接对象，而不是重复地打开和关闭连接；

使用线程池（thread pooling），避免不停地创建和删除线程对象，特别是在大量使用线程的时候；

避免在代码中调用GC。GC是一个“停止所有处理（stop the world）”的事件，它意味着除了 GC 线程自身外，其他所有执行线程都将处于挂起状态。如果必须调用 GC，那么可以在非紧急阶段或空闲阶段实现它；

避免在循环内分配对象。

尽早释放无用对象的引用。大多数程序员在使用临时变量的时候，都是让引用变量在退出活动域（scope）后，自动设置为null。我们在使用这种方式时候，必须特别注意一些复杂的对象，例如数组，队列，树，图等，这些对象之间的相互引用关系较为复杂。对于这类对象，GC回收它们一般效率较低。如果程序允许，尽早将不再使用的引用对象赋为null。这样可以加速GC的工作。

如果有经常使用的图片，可以使用soft引用类型。它可以尽可能将图片保存在内存中，供程序调用，而不引起Out Of Memory。

注意一些全局的变量，以及一些静态变量。这些变量往往容易引起悬挂对象（dangling reference），造成内存浪费。

使用本机代码编写应用程序的一部分，特别是频繁使用的部分，并将之与 Java 链接，这样做通常是为了提高性能。不过，JVM 与本机代码之间的通信通常很慢，因此，太多的 JNI 调用可能会降低性能。只要有可能就应该将本机操作集合在一起，以减少 JNI 调用的数量。使用 JNI 代码本地处理异常，尽管有时不可避免，但会导致性能下降。在这种情况下，应该使用 ExceptionCheck() 函数，因为与 ExceptionOccurred() 相比较，它带来的计算开销更少一些。后者必须创建一个将引用的对象，以及一个本地引用。

3）同步

为了减少 JVM 和操作系统中的争用，应该只在可行的情况下才使用同步方法。不要将同步方法放到循环结构中。

4）数据结构

作为一条通用规则，在更简单的数据结构能满足需要的地方，应该避免使用更复杂的数据结构。例如，在可以使用数组的地方不要使用向量。使用最有效的方法搜索元素，并将元素插入数据结构中，比如说，在向量的结尾处添加和删除元素，以便获得更好的性能。

5）尽可能使用堆栈变量

如果您频繁存取变量，就需要考虑从何处存取这些变量。变量是static变量，还是堆栈变量，或者是类的实例变量? 变量的存储位置对存取它的代码的性能有明显的影响。JVM 是一种基于堆栈的虚拟机，因此优化了对堆栈数据的存取和处理。所有局部变量都存储在一个局部变量表中，在 Java 操作数堆栈中进行处理，并可被高效地存取。存取 static 变量和实例变量成本更高，因为 JVM 必须使用代价更高的操作码，并从常数存储池中存取它们。（常数存储池保存一个类型所使用的所有类型、字段和方法的符号引用。）通常，在第一次从常数存储池中访问 static 变量或实例变量以后，JVM 将动态更改字节码以使用效率更高的操作码。尽管有这种优化，堆栈变量的存取仍然更快。

考虑到这些事实，在构建代码时就可以考虑通过存取堆栈变量而不是实例变量或 static 变量，使操作更高效。如果必须使用，可以考虑将实例变量或 static 变量复制到局部堆栈变量中。当变量的处理完成以后，其值又被复制回实例变量或 static 变量中。这并不表示您应该避免使用 static 变量或实例变量。您应该使用对您的设计有意义的存储机制。例如，如果您在一个循环中存取 static 变量或实例变量，则您可以临时将它们存储在一个局部堆栈变量中，这样就可以明显地提高代码的性能。这将提供最高效的字节码指令序列供 JVM 执行。

考虑到这些事实，在构建代码时就可以考虑通过存取堆栈变量而不是实例变量或 static 变量，使操作更高效。如果必须使用，可以考虑将实例变量或 static 变量复制到局部堆栈变量中。当变量的处理完成以后，其值又被复制回实例变量或 static 变量中。这并不表示您应该避免使用 static 变量或实例变量。您应该使用对您的设计有意义的存储机制。例如，如果您在一个循环中存取 static 变量或实例变量，则您可以临时将它们存储在一个局部堆栈变量中，这样就可以明显地提高��码的性能。这将提供最高效的字节码指令序列供 JVM 执行。

6）finalize函数

finalize是位于Object类的一个方法，该方法的访问修饰符为protected，由于所有类为Object的子类，因此用户类很容易访问到这个方法。由于，finalize函数没有自动实现链式调用，我们必须手动的实现，因此finalize函数的最后一个语句通常是 super.finalize()。通过这种方式，我们可以从下到上实现finalize的调用，即先释放自己的资源，然后再释放父类的资源。

根据Java语言规范，JVM保证调用finalize函数之前，这个对象是不可达的，但是JVM不保证这个函数一定会被调用。另外，规范还保证finalize函数最多运行一次。

很多Java初学者会认为这个方法类似于C++中的析构函数，将很多对象、资源的释放都放在这一函数里面。其实，这不是一种很好的方式。原因有三，其一，GC为了能够支持finalize函数，要对覆盖这个函数的对象作很多附加的工作。其二，在finalize运行完成之后，该对象可能变成可达的，GC还要再检查一次该对象是否是可达的。因此，使用finalize会降低GC的运行性能。其三，由于GC调用finalize的时间是不确定的，因此通过这种方式释放资源也是不确定的。

通常，finalize用于一些不容易控制、并且非常重要的资源的释放，例如一些I/O的操作，数据的连接。这些资源的释放对整个应用程序是非常关键的。在这种情况下，程序员应该以通过程序本身管理（包括释放）这些资源为主，以finalize函数释放资源���式为辅，形成一种双保险的管理机制，而不应该仅仅依靠finalize来释放资源。

7）异常的开销很大

是的，异常开销很大。那么，这是不是就意味着您不该使用异常?当然不是。但是，何时应该使用异常，何时又不应该使用异常呢?不幸的是，答案不是一下子就说得清的。我们要说的是，您不必放弃已经学到的好的 try-catch 编程习惯，但是使用异常时可能会遇到麻烦，创建异常就是一个例子。当创建一个异常时，需要收集一个栈跟踪（stack track），这个栈跟踪用于描述异常是在何处创建的。构建这些栈跟踪时需要为运行时栈做一份快照，正是这一部分开销很大。运行时栈不是为有效的异常创建而设计的，而是设计用来让运行时尽可能快且没有任何不必要的延迟。但是，当需要创建一个 Exception 时，JVM 不得不说：“先别动，我想就您现在的样子存一份快照，所以暂时停止入栈和出栈操作。”栈跟踪不只包含运行时栈中的一两个元素，而是包含这个栈中的每一个元素，从栈顶到栈底，还有行号和一切应有的东西。如果在一个深度为20的栈中创建了异常，那么就别指望只记录顶部的几个栈元素了——得完完整整地记录下所有 20个元素。从 main 或 Thread.run （在栈底）到栈顶，记录整个栈。

因此，创建异常这一部分开销很大。从技术上讲，栈跟踪快照是在本地方法 Throwable.fillInStackTrace() 中发生的，这个方法又是从 Throwable constructor 那里调用的。但是这并没有什么影响——如果您创建一个 Exception ，就得付出代价。好在捕获异常开销不大，因此可以使用 try-catch 将核心内容包起来。从技术上讲，您甚至可以随意地抛出异常，而不用花费很大的代价。招致性能损失的并不是 throw 操作——尽管在没有预先创建异常的情况下就抛出异常是有点不寻常。真正要花代价的是创建异常。幸运的是，好的编程习惯已教会我们，不应该不管三七二十一就抛出异常。异常是为异常的情况而设计的，使用时也应该牢记这一原则。

8）避免非常大的分配

有时候问题不是由当时的堆状态造成的，而是因为分配失败造成的。分配的内存块都必须是连续的，而随着堆越来越满，找到较大的连续块越来越困难。这不仅仅是 Java 的问题，使用 C 中的 malloc 也会遇到这个问题。JVM 在压缩阶段通过重新分配引用来减少碎片，但其代价是要冻结应用程序较长的时间。