编写高性能的Java代码需要注意的4个问题

2021-07-20 02:37:07

一、并发

Unable to create new native thread ……

问题1：Java中创建一个线程消耗多少内存？

每个线程有独自的栈内存，共享堆内存

问题2：一台机器可以创建多少线程？

CPU，内存，操作系统，JVM，应用服务器

我们编写一段示例代码，来验证下线程池与非线程池的区别：

//线程池和非线程池的区别
public class ThreadPool {
  
     public static int times = 100;//100,1000,10000
  
     public static ArrayBlockingQueue arrayWorkQueue = new ArrayBlockingQueue(1000);
     public static ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(5, //corePoolSize线程池中核心线程数
             10,
             60,
             TimeUnit.SECONDS,
             arrayWorkQueue,
             new ThreadPoolExecutor.DiscardOldestPolicy()
     );
  
     public static void useThreadPool() {
         Long start = System.currentTimeMillis();
         for (int i = 0; i < times; i++) {
             threadPool.execute(new Runnable() {
                 public void run() {
                     System.out.println("说点什么吧...");
                 }
             });
         }
         threadPool.shutdown();
         while (true) {
             if (threadPool.isTerminated()) {
                 Long end = System.currentTimeMillis();
                 System.out.println(end - start);
                 break;
             }
         }
     }
  
     public static void createNewThread() {
         Long start = System.currentTimeMillis();
         for (int i = 0; i < times; i++) {
  
             new Thread() {
                 public void run() {
                     System.out.println("说点什么吧...");
                 }
             }.start();
         }
         Long end = System.currentTimeMillis();
         System.out.println(end - start);
     }
  
     public static void main(String args[]) {
         createNewThread();
         //useThreadPool();
     }
 }

启动不同数量的线程，然后比较线程池和非线程池的执行结果：

非线程池 线程池
100次 16毫秒 5ms的
1000次 90毫秒 28ms
10000次 1329ms 164ms

结论：不要new Thread()，采用线程池

非线程池的缺点：

  • 每次创建性能消耗大
  • 无序，缺乏管理。容易无限制创建线程，引起OOM和死机

1.1 使用线程池要注意的问题

避免死锁，请尽量使用CAS

我们编写一个乐观锁的实现示例：

public class CASLock {
  
     public static int money = 2000;
  
     public static boolean add2(int oldm, int newm) {
         try {
             Thread.sleep(2000);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         if (money == oldm) {
             money = money + newm;
             return true;
         }
         return false;
     }
  
     public synchronized static void add1(int newm) {
         try {
             Thread.sleep(3000);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         money = money + newm;
     }
  
     public static void add(int newm) {
         try {
             Thread.sleep(3000);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         money = money + newm;
     }
  
     public static void main(String args[]) {
         Thread one = new Thread() {
             public void run() {
                 //add(5000)
                 while (true) {
                     if (add2(money, 5000)) {
                         break;
                     }
                 }
             }
         };
         Thread two = new Thread() {
             public void run() {
                 //add(7000)
                 while (true) {
                     if (add2(money, 7000)) {
                         break;
                     }
                 }
             }
         };
         one.start();
         two.start();
         try {
             one.join();
             two.join();
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         System.out.println(money);
     }
 }

使用ThreadLocal要注意

ThreadLocalMap使用ThreadLocal的弱引用作为key，如果一个ThreadLocal没有外部强引用来引用它，那么系统 GC 的时候，这个ThreadLocal势必会被回收，这样一来，ThreadLocalMap中就会出现key为null的Entry，就没有办法访问这些key为null的Entry的value，如果当前线程再迟迟不结束的话，这些key为null的Entry的value就会一直存在一条强引用链：Thread Ref -> Thread -> ThreaLocalMap -> Entry -> value永远无法回收，造成内存泄漏。

我们编写一个ThreadLocalMap正确使用的示例：

//ThreadLocal应用实例
public class ThreadLocalApp {
  
     public static final ThreadLocal threadLocal = new ThreadLocal();
  
     public static void muti2() {
         int i[] = (int[]) threadLocal.get();
         i[1] = i[0] * 2;
         threadLocal.set(i);
     }
  
     public static void muti3() {
         int i[] = (int[]) threadLocal.get();
         i[2] = i[1] * 3;
         threadLocal.set(i);
     }
  
     public static void muti5() {
         int i[] = (int[]) threadLocal.get();
         i[3] = i[2] * 5;
         threadLocal.set(i);
     }
  
     public static void main(String args[]) {
         for (int i = 0; i < 5; i++) {
             new Thread() {
                 public void run() {
                     int start = new Random().nextInt(10);
                     int end[] = {0, 0, 0, 0};
                     end[0] = start;
                     threadLocal.set(end);
                     ThreadLocalApp.muti2();
                     ThreadLocalApp.muti3();
                     ThreadLocalApp.muti5();
                     //int end = (int) threadLocal.get();
                     System.out.println(end[0] + "  " + end[1] + "  " + end[2] + "  " + end[3]);
                     threadLocal.remove();
                 }
             }.start();
         }
     }
 }

1.2 线程交互—线程不安全造成的问题

经典的HashMap死循环造成CPU100%问题

我们模拟一个HashMap死循环的示例：

//HashMap死循环示例
public class HashMapDeadLoop {
  
     private HashMap hash = new HashMap();
  
     public HashMapDeadLoop() {
         Thread t1 = new Thread() {
             public void run() {
                 for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                     hash.put(new Integer(i), i);
                 }
                 System.out.println("t1 over");
             }
         };
  
         Thread t2 = new Thread() {
             public void run() {
                 for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                     hash.put(new Integer(i), i);
                 }
                 System.out.println("t2 over");
             }
         };
         t1.start();
         t2.start();
     }
  
     public static void main(String[] args) {
         for (int i = 0; i < 1000; i++) {
             new HashMapDeadLoop();
         }
         System.out.println("end");
     }
 }
https://coolshell.cn/articles/9606.html

HashMap死循环发生后，我们可以在线程栈中观测到如下信息：

/HashMap死循环产生的线程栈
Thread-281" #291 prio=5 os_prio=31 tid=0x00007f9f5f8de000 nid=0x5a37 runnable [0x0000700006349000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
       at java.util.HashMap$TreeNode.split(HashMap.java:2134)
       at java.util.HashMap.resize(HashMap.java:713)
       at java.util.HashMap.putVal(HashMap.java:662)
       at java.util.HashMap.put(HashMap.java:611)
       at com.example.demo.HashMapDeadLoop$2.run(HashMapDeadLoop.java:26)

应用停滞的死锁，Spring3.1的deadlock 问题

我们模拟一个死锁的示例：

//死锁的示例
public class DeadLock {
     public static Integer i1 = 2000;
     public static Integer i2 = 3000;
         public static synchronized Integer getI2() {
         try {
             Thread.sleep(3000);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         return i2;
     }
     public static void main(String args[]) {
         Thread one = new Thread() {
             public void run() {
                 synchronized (i1) {
                     try {
                         Thread.sleep(3000);
                     } catch (InterruptedException e) {
                         e.printStackTrace();
                     }
                     synchronized (i2) {
                         System.out.println(i1 + i2);
                     }
                 }
             }
         };
         one.start();
         Thread two = new Thread() {
             public void run() {
                 synchronized (i2) {
                     try {
                         Thread.sleep(3000);
                     } catch (InterruptedException e) {
                         e.printStackTrace();
                     }
                     synchronized (i1) {
                         System.out.println(i1 + i2);
                     }
                 }
             }
         };
         two.start();
     }
 }

死锁发生后，我们可以在线程栈中观测到如下信息：

//死锁时产生堆栈
"Thread-1":
       at com.example.demo.DeadLock$2.run(DeadLock.java:47)
       - waiting to lock  (a java.lang.Integer)
       - locked  (a java.lang.Integer)
"Thread-0":
       at com.example.demo.DeadLock$1.run(DeadLock.java:31)
       - waiting to lock  (a java.lang.Integer)
       - locked  (a java.lang.Integer)
Found 1 deadlock.

1.3 基于JUC的优化示例

一个计数器的优化，我们分别用Synchronized，ReentrantLock，Atomic三种不同的方式来实现一个计数器，体会其中的性能差异

//示例代码
public class SynchronizedTest {
  
     public static int threadNum = 100;
     public static int loopTimes = 10000000;
  
     public static void userSyn() {
         //线程数
         Syn syn = new Syn();
         Thread[] threads = new Thread[threadNum];
         //记录运行时间
         long l = System.currentTimeMillis();
         for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
             threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                 @Override
                 public void run() {
                     for (int j = 0; j < loopTimes; j++) {
                         //syn.increaseLock();
                         syn.increase();
                     }
                 }
             });
             threads[i].start();
         }
         //等待所有线程结束
         try {
             for (int i = 0; i < threadNum; i++)
                 threads[i].join();
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         System.out.println("userSyn" + "-" + syn + " : " + (System.currentTimeMillis() - l) + "ms");
     }
  
     public static void useRea() {
         //线程数
         Syn syn = new Syn();
         Thread[] threads = new Thread[threadNum];
         //记录运行时间
         long l = System.currentTimeMillis();
         for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
             threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                 @Override
                 public void run() {
                     for (int j = 0; j < loopTimes; j++) {
                         syn.increaseLock();
                         //syn.increase();
                     }
                 }
             });
             threads[i].start();
         }
         //等待所有线程结束
         try {
             for (int i = 0; i < threadNum; i++)
                 threads[i].join();
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         System.out.println("userRea" + "-" + syn + " : " + (System.currentTimeMillis() - l) + "ms");
     }
    public static void useAto() {
         //线程数
         Thread[] threads = new Thread[threadNum];
         //记录运行时间
         long l = System.currentTimeMillis();
         for (int i = 0; i < threadNum; i++) {
             threads[i] = new Thread(new Runnable() {
                 @Override
                 public void run() {
                     for (int j = 0; j < loopTimes; j++) {
                         Syn.ai.incrementAndGet();
                     }
                 }
             });
             threads[i].start();
         }
         //等待所有线程结束
         try {
             for (int i = 0; i < threadNum; i++)
                 threads[i].join();
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         System.out.println("userAto" + "-" + Syn.ai + " : " + (System.currentTimeMillis() - l) + "ms");
     }
  
     public static void main(String[] args) {
         SynchronizedTest.userSyn();
         SynchronizedTest.useRea();
         SynchronizedTest.useAto();
     }
 }
  
 class Syn {
     private int count = 0;
     public final static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(0);
  
     private Lock lock = new ReentrantLock();
  
     public synchronized void increase() {
         count++;
     }
  
     public void increaseLock() {
         lock.lock();
         count++;
         lock.unlock();
     }
  
     @Override
     public String toString() {
         return String.valueOf(count);
     }
 }

结论，在并发量高，循环次数多的情况，可重入锁的效率高于Synchronized，但最终Atomic性能最好。

二、通信

2.1 数据库连接池的高效问题

  • 一定要在finally中close连接
  • 一定要在finally中release连接

2.2 OIO/NIO/AIO

OIO NIO AIO
类型 阻塞 非阻塞 非阻塞
使用难度 简单 复杂 复杂
可靠性 差 高 高
吞吐量 低 高 高

结论：我性能有严苛要求下，尽量应该采用NIO的方式进行通信。

2.3 TIME_WAIT(client)，CLOSE_WAIT(server)问题

反应：经常性的请求失败

获取连接情况 netstat -n | awk '/^tcp/ {++S[$NF]} END {for(a in S) print a, S[a]}'

  • TIME_WAIT：表示主动关闭，优化系统内核参数可。
  • CLOSE_WAIT：表示被动关闭。
  • ESTABLISHED：表示正在通信

解决方案：二阶段完成后强制关闭

2.4 串行连接，持久连接（长连接），管道化连接

编写高性能的Java代码需要注意的4个问题

结论：

管道连接的性能最优异，持久化是在串行连接的基础上减少了打开/关闭连接的时间。

管道化连接使用限制：

1、HTTP客户端无法确认持久化（一般是服务器到服务器，非终端使用）；

2、响应信息顺序必须与请求信息顺序一致；

3、必须支持幂等操作才可以使用管道化连接.

三、数据库操作

必须要有索引（特别注意按时间查询）

单条操作or批量操作

注：很多程序员在写代码的时候随意采用了单条操作的方式，但在性能要求前提下，要求采用批量操作方式。

四、JVM

4.1 CPU标高的一般处理步骤

  • top查找出哪个进程消耗的cpu高
  • top –H –p查找出哪个线程消耗的cpu高
  • 记录消耗cpu最高的几个线程
  • printf %x 进行pid的进制转换
  • jstack记录进程的堆栈信息
  • 找出消耗cpu最高的线程信息

4.2 内存标高（OOM）一般处理步骤

  • jstat命令查看FGC发生的次数和消耗的时间，次数越多，耗时越长说明存在问题；
  • 连续查看jmap –heap 查看老生代的占用情况，变化越大说明程序存在问题；
  • 使用连续的jmap –histo:live 命令导出文件，比对加载对象的差异，差异部分一般是发生问题的地方。

4.3 GC引起的单核标高

单个CPU占用率高，首先从GC查起。

4.4 常见SY标高

  • 线程上下文切换频繁
  • 线程太多
  • 锁竞争激烈

4.5 Iowait标高

如果IO的CPU占用很高，排查涉及到IO的程序，比如把OIO改造成NIO。

4.6 抖动问题

原因：字节码转为机器码需要占用CPU时间片，大量的CPU在执行字节码时，导致CPU长期处于高位；

现象：“C2 CompilerThread1” daemon，“C2 CompilerThread0” daemon CPU占用率最高；

解决办法：保证编译线程的CPU占比。

作者：梁鑫

来源：宜信技术学院

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