第二章 java程序优化

本章主要知识点：

• java程序中字符串的优化
• 慎用正则表达式
• java中集合的优化
• java中IO优化
• java中的引用类型和使用方法
• 多线程优化

1. 字符串的优化处理

字符串的优化不容小视
字符串的主要特点：

• 不变行：final类型，一旦生成不可改变

• 针对常量池的优化：
  在Java中创建字符串的方式有两种：
  1）字符串常量，String str=“abc”；
  2）new 创建 String str=new String(“abc”)。
  第一种方式，JVM会首先检查常量池中是否存在该对象，尊在则返回该对象应用，否则则创建对象并放到常量池中；
  第二种方式，new 创建，JVM调用String的构造方法，同时引用常量池中的”abc”字符串，在堆内存中创建一个新对象，最后str引用该新对象

• 利用String的intern方法，如果常量池中存在相同的值，则直接使用该对象，返回该对象的引用

• 慎重使用 Split() 方法,能用 String.indexOf() 方法代替 Split() 方法尽量用indexOf(),因为用了正则表达式，而正则表达式，使用不当，会引起回溯问题

• 大字符串拼接，用Stringbuilder

2. 慎用正则表达

慎用正则表达式，因为使用不当，可能会引起回溯问题
正则表达式的执行，需要正则表达式引擎执行，表达式引擎分为两种：DFA 自动机(Deterministic Final Automata 确定有限状态自动机)和NFA自动机(Non deterministic Finite Automaton 非确定有限状态自动机)。
对比来看,构造 DFA 自动机的代价远大于 NFA 自动机,但 DFA 自动机的执行效率高于NFA 自动机,

NFA 自动机会读取正则表达式的每一个字符,拿去和目标字符串匹配,匹配成功就换正则表达式的下一个字符,反之就继续和目标字符串的下一个字符进行匹配。

正则表达式三种模式
贪婪模式：如果单独使用+、？、*或者{min,max}等，正则表达式会匹配尽可能多的内容
懒惰模式：该模式下，正则表达式会尽可能少的重复匹配自负。
独占模式：独占模式仝贪婪模式一样，也会尽可能匹配更多的内容；不过在该模式下，匹配失败就会结束匹配，不会发生回溯问题

避免回溯的方法就是:使用懒惰模式和独占模式。

正则表达式的优化：

• 少用贪婪模式，多用独占模式
• 减少分支选择：
  分支选择”(X|Y|Z)”正则表达式会降低性能，应尽量减少使用。
  1）优先考虑将常用的选项放在前面，使较快的被匹配
  2）提取公共部分，”(abcd|abef)”—>”ab(cd|ef)”
  3）如果可以使用index来代替，则尽量使用index来代替
• 减少捕获嵌套
  1） 捕获组是指把正则表达式中,子表达式匹配的内容保存到以数字编号或显式命名的数组,方便后面引用。一般一个 () 就是一个捕获组,捕获组可以进行嵌套。
  2） 非捕获组则是指参与匹配却不进行分组编号的捕获组,其表达式一般由(?:exp)组成。

3. 集合优化

3.1 ArrayList和LinkedList比较

1）ArrayList数组实现，内存空间连续；LinkedList 双向链表实现
2）ArrayList数组实现，随机访问便利较快，LinkedList不支持随机访问

• 3.1.1 ArrayList 和 LinkedList 新增元素效率比较
  1> 从集合头部新增元素，LinkedList较快

原因：ArrayList是基于数组实现的，内存空间连续，如果要在头部新增元素，则需要重新复制以后的元素，从而进行平移操作，所以效率比较低；LinkedList是基于链表实现，在新增元素的时候，先确定需要插入的位置，如果是前半段则从前往后找；如果是后半段，从后往前找，找到对应位置，则插入。

2> 从集合中间新增元素，ArrayList较快
原因：中间位置效率都不太高，ArrayList需要复制数组平移，Linked需要寸照位置，遍历的元素最多
3> 从集合尾部新增元素，ArrayList较快
在容量两者效率都比较高，只不过LinkedList，需要new Node节点，所以ArrayList比较快，同样在容量不足的情况下,ArrayList效率会降低，而LinkedList不变

• 2.ArrayList 和 LinkedList 删除元素效率比较
  1）从集合头部删除元素，LinkedList较快
  2）从集合中间删除元素，ArrayList较快
  3）从集合尾部删除元素，ArrayList较快

理由同新增元素

• 3.ArrayList 和 LinkedList 遍历元素效率比较
  1）for循环，ArrayList较快
  内存连续
  2）迭代器循环，大致相同

3.2 合理使用 java8 中的Stream

我们通常还会将中间操作称为懒操作,也正是由这种懒操作结合终结操作、数据源构成的处理管道，实现了Stream的高效。
在循环迭代次数较少的情况下,常规的迭代方式性能反而更好;在单核 CPU 服务器配置中，也是常规迭代方式更有优势;而在大数据循环迭代中,如果服务器是多核 CPU 的情况下,Stream 的并行迭代优势明显。所以我们在平时处理大数据的集合时,应该尽量考虑将应用部署在多核 CPU 环境下,并且使用 Stream 的并行迭代方式进行处理。
用事实说话,我们看到其实使用 Stream 未必可以使系统性能更佳,还是要结合应用场景进行选择,也就是合理地使用 Stream。

3.3 HashMap优化

• 当查询操作较为频繁时,则可以适当地减少加载因子;如果对内存利用率要求比较高,则可以适当的增加加载因子。
• 还可以在预知存储数据量的情况下,提前设置初始容量(初始容量 = 预知数据量 /加载因子）
  设置初始容量,一般得是 2 的整数次幂,减少hash冲突

4.IO 优化

• 高并发用NIO
• RPC序列化避免使用Java序列化
  Protobuf 的这种数据存储格式,不仅压缩存储数据的效果好, 在编码和解码的性能方面也很高效

5. 多线程性能优化

5.1 Synchronized 原理及优化

5.1.1 原理

Synchronized既可以修饰代码块也可以修饰方法。

• 当修饰同步代码块时，是由 monitorenter 和 monitorexit 指令来实现同步的。进入 monitorenter 指令后,线程将持有Monitor对象，退出monitorexit指令后，线程将斥方该Monitor对象。
• 当 Synchronized 修饰同步方法时,并没有发现 monitorenter 和 monitorexit 指令,而是出现一个ACC_SYNCHRONIZED 标志。
  因为 JVM 使用了 ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来区分一个方法是否是同步方法。当方法调用时，调用指令将会检查该方法是否被设置ACC_SYNCHRONIZED访问标志。如果设置了该标志，执行线程将先持有Monitor对象，然后再执行方法。在该方法运行期间，其它线程将无法获取到该Mointor对象，当方法执行完成后，再释放该Monitor对象。

Monitor是依赖于底层的操作系统实现，存在用户态与内核态之间的切换，增加了性能开销

5.1.2 锁升级

image.png

• 偏向锁
  主要用来优化同一线程多次申请同一个锁的竞争。
  偏向锁的作用就是，当一个线程在此访问这个同步代码块或者方法时，该线程只需要去对象头的MarkWord中去判断一下是否有偏向锁指向该线程的ID，不需要再进入Monitor去竞争对象了。
  当对象被当做同步锁并有一个线程抢到了锁时，锁标志位还是01，“是否偏向锁”标志位设置为1，并且记录抢到锁的线程ID，表示进入偏向锁状态。
  一旦出现其他线程竞争锁资源时，偏向锁就会被撤销。偏向锁的撤销需要等待全局安全点，暂停持有该锁的线程，同时检查该线程是否还在执行该方法，如果是，则升级锁，反之则被其他线程抢占。

• 轻量级锁
  当有另外一个线程竞争获取偏向锁时，由于该锁已经是偏向锁，当发现对象头MarkWord中的线程ID不是自己线程的ID时，就会进行CAS操作获取锁，如果获取成功，直接替换MarkWord中的线程ID，该锁继续保持偏向锁；如果获取失败，代表当前锁有一定的竞争，偏向锁将升级为轻量级锁。
  轻量级锁适用于线程交替执行同步块的场景，绝大部分的锁在整个同步周期内都不存在长时间的竞争

• 自旋锁与重量级锁
  轻量级锁CAS抢锁失败，线程会被挂起进入阻塞状态。如果正在持有锁的线程在很短的时间内释放锁资源，那么进入阻塞状态的线程无疑又要申请锁资源。
  自旋锁，就是一直不断的尝试，从而避免线程被挂起阻塞。一只长时间的占用CPU，自旋次数有JVM参数设置。
  在锁竞争不激烈且锁占用时间非常短的场景下，自旋锁可以提高系统性能。
  自旋锁重试失败后，同步锁就会升级至重量级锁。
  锁标志位改为10。在这个状态下，未抢到锁的线程都会进入Monitor，之后会被阻塞在_WaitSet队列中。

5.1.2 优化方法

减少锁竞争，是优化Synchronized同步锁的关键

• 尽量使Synchronized同步锁处于轻量级锁或偏向锁状态，这样可以提高Synchronized同步锁性能
• 减小锁粒度来降低锁竞争
• 减少锁持有时间，避免锁升级
  Synchronized同步锁就是从偏向锁开始的，随着竞争越来越激烈，偏向锁升级到轻量级锁，最终升级到重量级锁

5.2 Lock 原理及优化

lock.jpg

从性能方面上来说，在并发量不高、竞争不激烈的情况下，Synchronized同步锁由于具有分级锁的优势，性能上与Lock锁差不多；但在高负载、高并发的情况下，Synchronized同步锁由于竞争激烈会升级到重量级锁，性能则没有Lock锁稳定。

5.2.1 Lock 原理

Lock锁是基于Java实现的锁，Lock是一个接口类，常用的实现类有ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock，它们都是依赖AbstractQueuedSynchronizer（AQS）类实现的。
AQS类结构中包含一个基于链表实现的等待队列（CLH队列），用于存储所有阻塞的线程，AQS中还有一个state变量，该变量对ReentrantLock来说表示加锁状态。

5.2.2 Lock优化

• 读写分离
• StampedLock实现了乐观读锁、悲观读锁和写锁
  相比于RRW，StampedLock获取读锁只是使用与或操作进行检验，不涉及CAS操作，即使第一次乐观锁获取失败，也会马上升级至悲观锁，这样就可以避免一直进行CAS操作带来的CPU占用性能的问题，因此StampedLock的效率更高

5.2.3 合理设置线程池的线程数

线程数 =N（CPU 核数）*（1+WT（线程等待时间）/ST（线程时间运行时间））
具体情况具体分析,根据公式计算出一个大概的数值,再通过实际的性能测试,计算出一个合理的值