從JVM看性能分析與設(shè)計

2019-11-11 04:21:11

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供稿：網(wǎng)友

java語言自90年代出現(xiàn)以來，因為它的安全性和跨平臺性（即所謂的”Write Once,Run Anywhere”）等特點，深得廣大程序員的青睞，但是同時，Java程序的運行效率的低下也是程序員的心病。Java是介于解釋型和編譯型之間的一種語言，同樣的程序，如果用編譯型語言C來實現(xiàn)，其運行速度一般要比Java快一倍以上。怎樣提高java應(yīng)用程序的效率是廣大程序員關(guān)心問題。本文將從與Java字節(jié)碼的運行過程中影響性能的相關(guān)因素的分析入手,然后,探討一些在Java代碼的設(shè)計過程中具體的有助于提高性能的策略。一、性能分析 JVM運行時的負(fù)載主要集中在字節(jié)碼的執(zhí)行，內(nèi)存管理，線程管理和其他的操作幾個方面。 1.1 JVM的結(jié)構(gòu) JVM中運行的是Java字節(jié)碼(Bytecode).class文件，這種class文件除了準(zhǔn)確定義一個類或接口的表示外,還定義了一些與平臺相關(guān)的諸如字節(jié)順序的詳細(xì)信息。 Java的數(shù)據(jù)類型分為PRimitive和reference，對于不同的數(shù)據(jù)類型的運算在JVM中的有不同的指令去執(zhí)行,比如iadd，ladd，fadd就是分別針對int，long，float的加法運算,當(dāng)然,它們的執(zhí)行效率也不一樣，運行時的數(shù)據(jù)區(qū)，在一個程序運行時,JVM都要為它定義不同的運行數(shù)據(jù)區(qū)，有些數(shù)據(jù)區(qū)在JVM啟動時就創(chuàng)建好了,直到整個JVM退出時才釋放掉，還有一些數(shù)據(jù)區(qū)的是屬于每個線程的,它的生命周期與線程相等。 JVM中的邏輯結(jié)構(gòu)有: PC(program counter)寄存器,每個線程有自己的PC(program counter)寄存器,當(dāng)JVM執(zhí)行的方法不是本地（Native）的時,這里存放當(dāng)前線程運行的指令的地址,如果是本地（Native）的,PC(program counter)寄存器的值沒有定義。 JVM棧(stack),當(dāng)創(chuàng)建線程時,每個線程都創(chuàng)建一個屬于自己的棧,用來存放frames(見下面),它存有本地變量，方法調(diào)用中的部分結(jié)果。堆(heap),JVM中所有線程共享這個堆，類的實例和數(shù)組都是從堆中分配內(nèi)存的，堆是在整個JVM啟動時初始化的。方法區(qū)(Method Area),線程間共享，它存放每個類中的運行時常數(shù)池(runtime constant pool)，域值和方法數(shù)據(jù),以及方法和類的構(gòu)造函數(shù)的代碼,其中包括用于類的特殊方法，實例初始化和接口類型的初始化，運行時常數(shù)池(runtime constant pool),是每個類或接口的class文件中的常數(shù)池表在運行時的表示，它包括各種常數(shù)如編譯時就知道的數(shù)字常量,還有運行時才能確定的方法和域的引用，類似傳統(tǒng)語言的符號表，本地(Native )方法棧(Stack)，用來支持本地(Native)方法調(diào)用，這些方法用非Java的語言編寫,需要傳統(tǒng)的”C”棧。幀(Frames),存放方法調(diào)用中的數(shù)據(jù)和部分結(jié)果及返回值,執(zhí)行動態(tài)連接,分派例外，一個新的Frame在方法被調(diào)用時創(chuàng)建,方法調(diào)用正常或非正常完成時銷毀，F(xiàn)rame從每個線程創(chuàng)建的JVM的棧中分配內(nèi)存,它屬于每個線程，每個Frame有自己的本地變量組，自己的操作棧(Operand Stack)和指向當(dāng)前方法的運行時常數(shù)池的引用，本地變量組和操作棧的大小在編譯的時候就已經(jīng)確定，在一個獲得控制的線程中只有一個Frame是激活的,這個Frame為當(dāng)前Frame,它的方法為當(dāng)前方法,方法所屬的類為當(dāng)前類，當(dāng)這個方法又調(diào)用別的方法或結(jié)束時,這個當(dāng)前Frame不再激活,一個新的Frame被創(chuàng)建并成為當(dāng)前Frame,直到當(dāng)前方法調(diào)用完成后,這個Frame被釋放并返回結(jié)果,前一個方法的Frame成為當(dāng)前的Frame，本地變量,每個方法的Frame包含一組在方法中定義的本地變量,它們的大小在Java編譯時就已確定。動態(tài)連接(Dynamic Linking),每個Frame包含一個指向當(dāng)前方法的運行時常數(shù)池的引用,它通過符號引用(symbolic references)訪問變量和指向被引用的方法，動態(tài)連接(Dynamic Linking)在運行時將這些方法的符號引用轉(zhuǎn)為具體的方法引用,并加載相應(yīng)的類，它還將變量影射到當(dāng)前運行時的變量的內(nèi)存偏移上。 1.2 字節(jié)碼(Bytecode)的執(zhí)行 JVM動態(tài)地加載(Loads)，連接(Links)和初始化(Initializes)類和接口的字節(jié)碼，加載(Loading)就是JVM發(fā)現(xiàn)具有某一特定名字的類或接口的二進(jìn)制表示,并從這個二進(jìn)制表示在內(nèi)存中創(chuàng)建出一個類或接口，連接(Linking)就是使一個類或接口與JVM的運行時狀態(tài)很好的結(jié)合,以便執(zhí)行它，一個類或接口的初始化就是執(zhí)行它的初始化方法。 1.3 內(nèi)存管理 Java是一個面向?qū)ο蟮恼Z言，因此,在JVM的內(nèi)存中大部分是對象，從上面的分析我們知道,對象的內(nèi)存是從堆(heap)分配的，對象內(nèi)存的回收是由自動內(nèi)存管理系統(tǒng)(由叫垃圾收集器-Garbage Collector)來完成的，編程人員是不用顯式的釋放內(nèi)存的，垃圾收集器Garbage Collector通過記錄指向?qū)ο蟮囊玫臄?shù)目來決定是否釋放對象所占據(jù)的內(nèi)存空間,當(dāng)指向某個對象的引用數(shù)為零時,這個對象就可以釋放了。 1.4 線程管理 Java是一個支持多線程的語言，因此線程的管理是JVM的一個主要工作，每個線程都有自己的工作內(nèi)存,線程間的共享變量是存放在整個JVM的主內(nèi)存中的,線程間數(shù)據(jù)的同步通過lock來共享數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)的一致性，線程間控制的轉(zhuǎn)移通過對wait，notify等方法的調(diào)用來實現(xiàn)。 二、性能設(shè)計 通過以上的分析,我們就以下幾個方面提出一些有關(guān)性能設(shè)計的策略。 2.1 對象的構(gòu)造從上面我們知道,Java對象的內(nèi)存是自動管理的，因此,一般認(rèn)為,程序員是不用擔(dān)心內(nèi)存的分配的，但這種想法是不完全正確的，java通過垃圾收集器(Garbage Collector)來處理內(nèi)存分配與釋放的底層操作,程序員不用直接管理內(nèi)存,這樣防止了由于內(nèi)存的錯誤操作導(dǎo)致的數(shù)據(jù)破壞(corruption)，但并不意味著程序員不用擔(dān)心內(nèi)存的使用,內(nèi)存的使用不但會給系統(tǒng)帶來很大的負(fù)擔(dān)，比如,Java并不阻止程序占用過多的內(nèi)存,當(dāng)對象向堆所請求的內(nèi)存不足時,垃圾收集器(Garbage Collector)就會自動啟動,釋放那些引用數(shù)為零的對象所占用的內(nèi)存，Java也不會自動釋放無用的對象的引用,如果程序忘記釋放指向?qū)ο蟮囊?則程序運行時的內(nèi)存隨著時間的推移而增加,發(fā)生所謂內(nèi)存泄漏(memory leaks)，創(chuàng)建對象不但消耗CPU的時間和內(nèi)存,同時,為釋放對象內(nèi)存JVM需不停地啟動垃圾收集器(Garbage Collector),這也會消耗大量的CPU時間。策略：盡量避免在被經(jīng)常調(diào)用的代碼中創(chuàng)建對象。對于集合類(collection),應(yīng)盡量初始化它的大小，如果不初始化它的大小,JVM自動給它一個缺省的大小,當(dāng)你的要求大于這個缺省的大小時,JVM就會重新創(chuàng)建一個新的collection對象,原來的對象就釋放掉，這樣必然會增加JVM的負(fù)擔(dān)。當(dāng)一個類的多個實例在其本地的變量里訪問一個特定的對象時,最好將這個變量設(shè)計為靜態(tài)(static)的,而不是每個實例中變量里都存放那個對象的引用。

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