性能调优读书笔记（上篇）

一、Amdahl定律

加速=优化前耗时/优化后耗时比
公式图：

二、设计模式

1、单例模式

静态内部类的方式：

/**
 * 内部类的单例模式
 */
public class StaticSingleton {
    private StaticSingleton(){
        System.out.println("aaa");
    }

    private static class StaticSingletonHolder{
       private static StaticSingleton singleton=new StaticSingleton();
    }

    public static StaticSingleton getInstance(){
        return StaticSingletonHolder.singleton;
    }
}

除了反射机制强制调用私有构造函数，生成多个实例外，序列化和反序列化也可能会导致。

防止序列化的单例：

/**
 * 可以被串行化的单例
 */
public class SerSingleton implements Serializable {

    String name;

    private SerSingleton(){
        System.out.println("SerSingleton is create");
        name="SerSingleton";
    }

    private static SerSingleton instance=new SerSingleton();

    public static SerSingleton getInstance(){
        return instance;
    }

    public static void createString(){
        System.out.println("createString in Singleton");
    }

    //阻止生成新的实例，总是返回当前对象
    private Object readResolve(){
        return instance;
    }
}

关键是实现了readResolve方法

2、代理模式

1、代理模式用于延迟加载

2、动态代理
动态代理是指再运行时，动态生成代理类。

注意：动态代理使用字节码动态生成加载技术，在运行时生成并加载类。

常见的有jdk动态代理，cglib和javassist三种方式。

JDK方式：

/**
 * JDK的动态代理
 */
public class JdkDBQueryHandler implements InvocationHandler {

    IDBQuery real=null;

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        if(real==null){
            real=new DBQuery();
        }
        return real.request();
    }

    public static IDBQuery createJdkProxy(){
        IDBQuery jdkProxy=(IDBQuery)Proxy.newProxyInstance(ClassLoader.getSystemClassLoader(),new Class[]{IDBQuery.class},
                new JdkDBQueryHandler());
        return jdkProxy;
    }
}

CGLIB:

/**
 * cglib方式
 */
public class CglibDBQueryInterceptor implements MethodInterceptor {

    IDBQuery real=null;

    @Override
    public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
        if(real==null){
            real=new DBQuery();
        }
        return real.request();
    }

    public static IDBQuery createCglibProxy(){
        Enhancer enhancer=new Enhancer();
        enhancer.setCallback(new CglibDBQueryInterceptor());    //指定切入器
        enhancer.setInterfaces(new Class[]{IDBQuery.class});
        IDBQuery cglibQuery=(IDBQuery)enhancer.create();
        return cglibQuery;
    }
}

结论：jdk方式创建对象很快，但是调用方法较慢。

Hibernate中代理模式的应用：

User u=(User)HibernateSessionFactory.getSession().load(User.class,1);
System.out.print(u.getClass().getName());
System.out.print(u.getName());

以上代码中，load方法后，并没有查询数据库，在调用u.getName()时才查询的数据库，这就是Hibernate用代理模式做了延迟加载。

3、享元模式

概念：如果在一个系统中存在多个相同的对象，那么只需要共享一份对象的拷贝，而不必每一次使用都创建新的对象。
功能组件如图：

注意：享元模式时为数不多的只为了提升系统性能而生的设计模式。他的主要作用就是复用大对象，节省内存和对象创建时间。

享元模式和对象池的最大不同在于：享元模式是不能互相替代的，他们有

/**
 * 报表接口
 */
public interface IReportManager {
    String createReport();
}

/**
 * 员工报表
 */
public class EmployeeReportManager implements IReportManager {

    //租户ID
    protected String   tenanId=null;

    public EmployeeReportManager(String tenanId) {
        this.tenanId = tenanId;
    }

    @Override
    public String createReport() {
        return "this is a employee Report";
    }
}

/**
 * 财务报表
 */
public class FinancialReportManager implements IReportManager {

    //租户ID
    protected String   tenanId=null;

    public FinancialReportManager(String tenanId) {
        this.tenanId = tenanId;
    }

    @Override
    public String createReport() {
        return "this is a Financial Report";
    }
}

/**
 * 享元工厂类
 * 保证同一个id获取到的是同一个对象
 */
public class ReportManagerFactory {
    Map<String,IReportManager> financialReportManager=new HashMap<>();
    Map<String,IReportManager> employeeReportManager=new HashMap<>();
    IReportManager getFinancialReportManager(String tenantId){
        IReportManager r=financialReportManager.get(tenantId);
        if(r==null){
            r=new FinancialReportManager(tenantId);
            financialReportManager.put(tenantId,r);
        }
        return r;
    }

    IReportManager getEmployeeReportManager(String tenantId){
        IReportManager r=employeeReportManager.get(tenantId);
        if(r==null){
            r=new EmployeeReportManager(tenantId);
            employeeReportManager.put(tenantId,r);
        }
        return r;
    }
}

4、装饰者模式

装饰者（Decorator）和被装饰者（ConcreteComponent）拥有相同的接口，装饰者可以在被装饰者的方法上加上特定的前后置处理，增强被装饰者的功能。

/**
 * 接口
 */
public interface IPacketCreator {
    String handleContent();
}

public abstract class PacketDecorator implements IPacketCreator {

    IPacketCreator iPacketCreator;

    public PacketDecorator(IPacketCreator iPacketCreator) {
        this.iPacketCreator = iPacketCreator;
    }
}

public class PacketHTMLHeaderCreator extends PacketDecorator {

    public PacketHTMLHeaderCreator(IPacketCreator iPacketCreator) {
        super(iPacketCreator);
    }

    /**
     * 将数据封装成html格式
     * @return
     */
    @Override
    public String handleContent() {
        StringBuffer sb=new StringBuffer();
        sb.append("<html>");
        sb.append("<body>");
        sb.append(iPacketCreator.handleContent());
        sb.append("</body>");
        sb.append("</html>\n");
        return sb.toString();
    }
}

public class PacketHTTPHeaderCreator extends PacketDecorator {

    public PacketHTTPHeaderCreator(IPacketCreator iPacketCreator) {
        super(iPacketCreator);
    }

    @Override
    public String handleContent() {
        StringBuffer sb=new StringBuffer();
        sb.append("Cache-Control:no-cache\n");
        sb.append(iPacketCreator.handleContent());
        return sb.toString();
    }
}

使用类：

@Test
    public void test3(){
        IPacketCreator iPacketCreator = new PacketHTTPHeaderCreator(new PacketHTMLHeaderCreator(new PacketBodyCreator()));
        System.out.println(iPacketCreator.handleContent());
    }

5、观察者模式

在软件系统中，当一个对象的行为依赖于另一个对象的状态时，观察者模式就非常有用。

代码示例如下：

package com.mmc.concurrentcystudy.design.guanchazhe;

import java.util.Observable;
import java.util.Observer;

/**
 * 读者类，实现了观察者接口
 */
public class Reader implements Observer {

    private String name;

    public Reader(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    /**
     * 关注作者
     * @param writerName
     */
    public void subscribe(String writerName){
        WriterManager.getInstance().getWriter(writerName).addObserver(this);
    }


    /**
     * 取消关注
     * @param writerName
     */
    public void unsunbscribe(String writerName){
        WriterManager.getInstance().getWriter(writerName).deleteObserver(this);
    }

    /**
     * 业务方法
     * @param o
     * @param arg
     */
    @Override
    public void update(Observable o, Object arg) {
        if(o instanceof Writer){
            Writer writer=(Writer)o;
            System.out.println(name+"知道"+writer.getName()+"发布了新书《"+writer.getLastNovel()+"》");
        }
    }
}

package com.mmc.concurrentcystudy.design.guanchazhe;

import java.util.Observable;

/**
 * 作者类，要继承自被观察者类
 */
public class Writer extends Observable {

    private String name;      //作者的名称

    private String lastNovel;    //记录作者最新发布的小说

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getLastNovel() {
        return lastNovel;
    }

    public void setLastNovel(String lastNovel) {
        this.lastNovel = lastNovel;
    }


    public Writer(String name) {
        this.name = name;
        WriterManager.getInstance().add(this);
    }

    //发布新书
    public void addNovel(String novel){
        System.out.println(name+"发布了新书:《"+novel+"》");
        lastNovel=novel;
        setChanged();
        notifyObservers();
    }
}

package com.mmc.concurrentcystudy.design.guanchazhe;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

/**
 * 管理器，保持一份独有的作者列表
 */
public class WriterManager {

    private Map<String,Writer> map=new HashMap<>();
    public void add(Writer writer){
        map.put(writer.getName(),writer);
    }

    public Writer getWriter(String name){
        return map.get(name);
    }

    //单例
    private WriterManager(){}

    public static WriterManager getInstance(){
        return WriterManagerInstance.writerManager;
    }

    private static  class WriterManagerInstance{
        private static WriterManager writerManager=new WriterManager();
    }
}

测试方法：

@Test
    public void test4(){
        Reader reader=new Reader("小明");
        Reader reader2=new Reader("小红");
        Reader reader3=new Reader("小李");

        Writer writer=new Writer("韩寒");
        Writer writer2=new Writer("李敖");

        reader.subscribe("韩寒");
        reader2.subscribe("韩寒");
        reader3.subscribe("李敖");

        writer.addNovel("三重门");
        writer2.addNovel("不知道");
    }

三、常见的优化组件

1、缓冲

示意图：

IO操作很容易形成性能瓶颈，所以尽可能加入缓冲组件。

2、缓存

缓存是为了系统性能而开辟的内存空间。最为简单的缓存是使用HashMap，但是这样做会遇到很多问题，比如不知道合适清理无效的数据，如何防止数据过多而内存溢出。

现在有很多缓存框架，如EHCache，OSCache，JBossCache等。

3、对象复用-“池”

如果一个类被频繁的使用，那么不必每次都生成一个实例，可以将这个实例保存在一个池中，待需要的时候直接从池中获取。这个池就称为对象池。

Apache中提供了一个Jakarta Commons Pool对象池组件，可以直接使用。

API列表：

public interface ObjectPool<T> extends Closeable {
    //从对象池中获取到一个对象
    T borrowObject() throws Exception, NoSuchElementException, IllegalStateException;

    //对象返回给对象池
    void returnObject(T var1) throws Exception;
    }

Common Pool中内置了3个对象池，分别是StackObjectPool，GenericObjectPool，SoftReferenceObjectPool。

• StackObjectPool：利用Stack来保存对象，可以指定初始化大小。

• GenericObjectPool：是一个通用的对象池，可以设定对象池的容量，也可以设定无可用对象时应该怎样，有一个复杂的构造函数来定义这些行为。
  

• SoftReferenceObjectPool：使用的是ArrayList保存，保存的是对象的软引用。

使用示例：

/**
 * 对象池
 */
public class PoolFactory extends BasePooledObjectFactory<Object> {

    static GenericObjectPool<Object> pool = null;

    // 取得对象池工厂实例
    public synchronized static GenericObjectPool<Object> getInstance() {
        if (pool == null) {
            GenericObjectPoolConfig poolConfig = new GenericObjectPoolConfig();
            poolConfig.setMaxIdle(-1);
            poolConfig.setMaxTotal(-1);
            poolConfig.setMinIdle(100);
            poolConfig.setLifo(false);
            pool = new GenericObjectPool<Object>(new PoolFactory(), poolConfig);
        }
        return pool;
    }

    public static Object borrowObject() throws Exception{
        return (Object) PoolFactory.getInstance().borrowObject();
    }

    public static void returnObject(Object jdbcUtils) throws Exception{
        PoolFactory.getInstance().returnObject(jdbcUtils);
    }

    public static void close() throws Exception{
        PoolFactory.getInstance().close();
    }

    public static void clear() throws Exception{
        PoolFactory.getInstance().clear();
    }

    @Override
    public Object create() throws Exception {
        return new Object();
    }

    @Override
    public PooledObject<Object> wrap(Object obj) {
        return new DefaultPooledObject<Object>(obj);
    }
} 

测试代码：

@Test
    public void test6() throws Exception {
        Object o=PoolFactory.borrowObject();
        PoolFactory.returnObject(o);
        Object o2=PoolFactory.borrowObject();
        PoolFactory.returnObject(o2);
        System.out.println(o==o2);
    }

注意：只有对重量级对象使用对象池技术才能提高系统性能，对轻量级的对象使用反而会降低性能。

4、并行替代串行

5、负载均衡

为保证应用程序的服务质量，需要使用多台计算机协同工作，将系统负载尽可能分配到各个计算机节点上。

6、时间换空间

一般用于嵌入式设备或者内存，硬盘不足的情况下。
比如一个简单的例子，a和b两个变量的值的替换。最常用的方法是引入一个中间变量。为了省去中间变量可以用这样的方法：

 @Test
    public void test7(){
        int a=3;
        int b=5;
        a=a+b;
        b=a-b;
        a=a-b;
        System.out.println(a);
        System.out.println(b);
    }

7、空间换时间

最典型的应用就是缓存了，除了缓以外，有一些排序方法也会用到。

一个空间换时间的排序示例：

/**
 * 空间换时间的排序
 */
public class SpaceSort {


    public static int arrayLen=1000000;

    public static void main(String[] args) {
        int [] a=new int[arrayLen];
        int [] old=new int[arrayLen];
        Map<Integer,Object> map=new HashMap<>();
        int count=0;
        while (count<a.length){      //初始化数组
            int value=(int)(Math.random()*arrayLen*10);
            if(map.get(value)==null){
                map.put(value,value);
                a[count]=value;
                count++;
            }
        }

        System.arraycopy(a,0,old,0,a.length);
        long start=System.currentTimeMillis();
        Arrays.sort(a);
        System.out.println("Arrays.sort spend:"+(System.currentTimeMillis()-start));

        start=System.currentTimeMillis();
        spaceToTime(old);
        System.out.println("spaceToTime spend:"+(System.currentTimeMillis()-start));

    }

    public static void spaceToTime(int[] array){
        int i=0;
        int max=array[0];
        int l=array.length;
        //找出最大值
        for (i=0;i<l;i++){
            if(array[i]>max)
                max=array[i];
        }

        int []temp=new int[max+1];   //分配临时空间
        for (i=0;i<l;i++){
            temp[array[i]]=array[i];    //以索引下标标识数字大小
        }

        int j=0;
        int max1=max+1;
        for (i=0;i<max1;i++){   //线性复杂度
            if (temp[i]>0){
                array[j++]=temp[i];
            }
        }
    }
}

四、Java程序优化

1、字符串优化

使用StringTokenizer类分割字符串

 public void test9(){
        StringBuilder sb=new StringBuilder();
        int len=1000;
        for (int i=0;i<len;i++){
            sb.append(i);
            sb.append(";");
        }
        String str=sb.toString();
        long start=System.currentTimeMillis();
        StringTokenizer st=new StringTokenizer(str,";");
        for (int i=0;i<10000;i++){
           while (st.hasMoreElements()){
               String s = st.nextToken();
           }
           st=new StringTokenizer(str,";");
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);

    }

目前来说这种方法也没快多少

2、数据结构

ArrayList和LinkedList

• 添加元素到队列尾部 ArrayList块
• 添加到任意位置 LinkedList快

删除对比：

• 在能够有效评估ArrayList数组大小时，指定容量大小能对性能有提升
• LinkedList不要用for(int i=0;i<list.size();i++)遍历，用foreach。即如果需要通过索引下标对集合进行访问，那最好用ArrayList

TreeMap和LinkedHashMap的区别。
他们都是可排序的，LinkedHashMap基于元素进入集合或者被访问的先后顺序排序，TreeMap是根据元素的固有顺序（Comparator或者Comparable）

3、优化集合访问方法

1. 分离循环中被重复调用的代码
   如下面的那个list.size()会多次调用。但实际上这个方法也很快

   for (int i=0;i<list.size();i++){
            count++;
        }
        len=list.size();
        for (int i=0;i<len;i++){
            count++;
        }

2. 减少方法调用
   如果可以直接访问内部元素，就不用调用对应的接口。因为函数调用是需要消耗系统资源的。

4、NIO提升性能

在读写文件上使用NIO会更快
以写入4000000的int数字为例

---	Stream	ByteBuffer	MappedByteBuffer
写耗时	295ms	123ms	32ms
读耗时	433ms	59ms	17ms

测试示例：

/**
     * IO写文件
     * @throws IOException
     */
    @Test
    public void test12() throws IOException {
        long start=System.currentTimeMillis();
        DataOutputStream dos=new DataOutputStream(new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("d://1.txt")));
        for (int i=0;i<4000000;i++){
            dos.writeInt(i);
        }
        if(dos!=null)
            dos.close();
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
    }

    /**
     * IO读文件
     * @throws IOException
     */
    @Test
    public void test13() throws IOException {
        long start=System.currentTimeMillis();
       DataInputStream dis=new DataInputStream(new BufferedInputStream(new FileInputStream("d://1.txt")));
       for (int i=0;i<4000000;i++){
           dis.readInt();
       }
       if(dis!=null)
           dis.close();
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
    }

    /**
     * NIO写文件
     * @throws IOException
     */
    @Test
    public void test14() throws IOException {
        long start=System.currentTimeMillis();
        FileOutputStream fos=new FileOutputStream("d:/1.txt");
        FileChannel fc=fos.getChannel();
        ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocate(4000000*4);
        for (int i = 0; i <4000000 ; i++) {
            byteBuffer.put(int2byte(i));
        }
        byteBuffer.flip();
        fc.write(byteBuffer);
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
    }

    /**
     * NIO读文件
     * @throws IOException
     */
    @Test
    public void test15() throws IOException {
        long start=System.currentTimeMillis();
        FileInputStream fin=new FileInputStream("d://1.txt");
        FileChannel channel = fin.getChannel();
        ByteBuffer byteBuffer=ByteBuffer.allocate(4000000*4);
        channel.read(byteBuffer);
        channel.close();
        byteBuffer.flip();
        while (byteBuffer.hasRemaining()){
            byte2int(byteBuffer.get(),byteBuffer.get(),byteBuffer.get(),byteBuffer.get());
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
    }

    public static byte[] int2byte(int res){
        byte[] targets=new byte[4];
        targets[3]=(byte)(res&0xff);
        targets[2]=(byte)((res>>8)&0xff);
        targets[1]=(byte)((res>>16)&0xff);
        targets[0]=(byte)(res>>24);
        return targets;
    }

    public static int byte2int(byte b1,byte b2,byte b3,byte b4){
        return ((b1&0xff)<<24)|((b2&0xff)<<16)|((b3&0xff)<<8)|(b4&0xff);
    }
    
     /**
     * NIO MappedByteBuffer写文件
     * @throws IOException
     */
    @Test
    public void test16() throws IOException {
        long start=System.currentTimeMillis();
       FileChannel fc=new RandomAccessFile("d://1.txt","rw").getChannel();
        IntBuffer ib=fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE,0,4000000*4).asIntBuffer();
        for (int i = 0; i < 4000000; i++) {
            ib.put(i);
        }
        if(fc!=null)
            fc.close();
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
    }

    /**
     * NIO MappedByteBuffer读文件
     * @throws IOException
     */
    @Test
    public void test17() throws IOException {
        long start=System.currentTimeMillis();
      FileChannel fc=new FileInputStream("d://1.txt").getChannel();
      IntBuffer ib=fc.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY,0,fc.size()).asIntBuffer();
      while (ib.hasRemaining()){
          ib.get();
      }
    if(fc!=null)
        fc.close();
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
    }

2、直接内存访问
DirectBuffer:直接可以访问系统物理内存的类，在对普通的ByteBuffer访问时，系统会使用一个“内核缓冲区”进行间接的操作，而DirectBuffer所处的位置就相当于这个“内核缓冲区”。因此他更接近底层，更快。

但是DirectBuffer创建销毁都比较费时间，在需要频繁创建和销毁的情况下不适合用。

/**
     * 使用DirectBuffer
     * @throws IOException
     */
    @Test
    public void test18() throws IOException {
        long start=System.currentTimeMillis();
       ByteBuffer b=ByteBuffer.allocateDirect(500);
       for (int i=0;i<100000;i++){
           for (int j=0;j<99;j++)
               b.putInt(j);
          b.flip();
           for (int j=0;j<99;j++)
               b.getInt();
           b.clear();
       }
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
    }

    @Test
    public void test19() throws IOException {
        long start=System.currentTimeMillis();
        ByteBuffer b=ByteBuffer.allocate(500);
        for (int i=0;i<100000;i++){
            for (int j=0;j<99;j++)
                b.putInt(j);
            b.flip();
            for (int j=0;j<99;j++)
                b.getInt();
            b.clear();
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
    }

5、引用类型

1. 强引用
2. 软引用
   GC的时候，因为内存没满，没有被回收。

@Test
    public void test20(){
        MyObject myObject=new MyObject();
        //创建引用队列
        ReferenceQueue<MyObject> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
        //创建软引用
        SoftReference<MyObject> softReference=new SoftReference<>(myObject,referenceQueue);
        myObject=null;
        System.gc();
        System.out.println("After Gc:soft get="+softReference.get());
        System.out.println("分配大内存");
        byte[] b=new byte[4*1024*925];
        System.out.println("After new byte[]:soft get="+softReference.get());
    }

3. 弱引用
   在GC的时候一旦发现有弱引用，直接被回收

@Test
    public void test20(){
        MyObject myObject=new MyObject();
        //创建引用队列
        ReferenceQueue<MyObject> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
        //创建软引用
        WeakReference<MyObject> softReference=new WeakReference<>(myObject,referenceQueue);
        myObject=null;
        System.gc();
        System.out.println("After Gc:soft get="+softReference.get());
        System.out.println("分配大内存");
        byte[] b=new byte[4*1024*925];
        System.out.println("After new byte[]:soft get="+softReference.get());
    }

4. 虚引用
   虚引用是引用类型最弱的一个，他的作用在于跟踪垃圾回收。
5. WeakHashMap
   当需要使用HashMap做一个简单的缓存时，建议使用WeakHashMap，他是弱引用的，可以在内存满的情况下，GC时清除没有被引用的表项

6、改善性能小技巧

1. 使用局部变量

调用方法时传递的参数和在方法在创建的临时变量都保存在栈中，速度较快。其他变量，如静态变量，实例变量都在堆中。

 @Test
    public void test21() throws IOException {
        long start=System.currentTimeMillis();
        int a=0;
        for (int i=0;i<2000000000;i++){
                a++;
        }
        System.out.println(a);
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
    }

    private static int ta=0;

    @Test
    public void test22() throws IOException {
        long start=System.currentTimeMillis();
        int a=0;
        for (int i=0;i<2000000000;i++){
            ta++;
        }
        System.out.println(ta);
        System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
    }

2. 位运算代替乘除法

a*2 用a<<1

a/2 用a>>1
3. 替代switch

用数组替代switch，效率会更高

 public int sw(int a){
        switch (a){
            case 1:return 1;
            case 2:return 3;
            case 3:return 5;
            case 4:return 9;
            default:return 0;
        }
    }
    
    //用数组来实现
    public int sw2(int a){
        int[] array=new int[]{1,3,5,9,0};
        return array[a];
    }

4、复制数组用System.arraycopy
System.arraycopy时浅拷贝。对于非基本类型而言，他拷贝的是对象的引用，而非新建一个对象。

5、clone方法代替new

clone方法不会调用构造函数，所以能够快速的创造一个实例。默认情况下是浅拷贝。但是拷贝的对象修改属性，旧的对象的值可能是不会变的。

6、静态方法代替实例方法

实例方法需要维护一张类似虚拟结构表的东西以支持对多态的实现。所以比静态方法慢。