Java性能优化与JVM调优

Java性能优化是一个复杂的主题，涉及代码层面的优化、JVM调优以及系统架构的改进。本文将深入探讨Java性能优化的各个方面，并提供实用的调优建议。

1. JVM内存模型

1.1 内存分区

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// JVM参数配置示例
-Xms2g -Xmx4g -XX:NewRatio=2 -XX:SurvivorRatio=8
-XX:MetaspaceSize=256m -XX:MaxMetaspaceSize=512m

内存分配示意：

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堆空间(Heap):
  - 新生代(Young Generation)
    - Eden区
    - Survivor区(From和To)
  - 老年代(Old Generation)
非堆空间:
  - 元空间(Metaspace)
  - 代码缓存
  - 线程栈

2. GC优化

2.1 GC参数配置

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# CMS垃圾收集器配置
-XX:+UseConcMarkSweepGC
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=75
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly

# G1垃圾收集器配置
-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200
-XX:G1HeapRegionSize=16m

2.2 GC日志分析

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# 开启GC日志
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCDateStamps
-Xloggc:/path/to/gc.log

3. 代码层面优化

3.1 字符串优化

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public class StringOptimization {
    public String concatenate(List<String> strings) {
        // 不推荐
        String result = "";
        for (String s : strings) {
            result += s;  // 每次都创建新对象
        }
        
        // 推荐
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (String s : strings) {
            sb.append(s);
        }
        return sb.toString();
    }
}

3.2 集合优化

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public class CollectionOptimization {
    // 初始化时指定容量
    List<String> list = new ArrayList<>(10000);
    
    // 使用批量操作
    public void batchProcess(List<String> items) {
        // 不推荐
        for (String item : items) {
            list.add(item);
        }
        
        // 推荐
        list.addAll(items);
    }
}

4. 线程池优化

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public class ThreadPoolOptimization {
    private final ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(
        10,                 // 核心线程数
        20,                 // 最大线程数
        60L,               // 空闲线程存活时间
        TimeUnit.SECONDS,
        new ArrayBlockingQueue<>(1000),  // 工作队列
        new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()  // 拒绝策略
    );
    
    public void submitTask(Runnable task) {
        executor.submit(task);
    }
    
    public void shutdown() {
        executor.shutdown();
        try {
            if (!executor.awaitTermination(60, TimeUnit.SECONDS)) {
                executor.shutdownNow();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            executor.shutdownNow();
        }
    }
}

5. 数据库访问优化

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public class DatabaseOptimization {
    // 使用批量操作
    public void batchInsert(List<User> users) {
        jdbcTemplate.batchUpdate(
            "INSERT INTO users (name, email) VALUES (?, ?)",
            new BatchPreparedStatementSetter() {
                @Override
                public void setValues(PreparedStatement ps, int i) 
                        throws SQLException {
                    User user = users.get(i);
                    ps.setString(1, user.getName());
                    ps.setString(2, user.getEmail());
                }
                
                @Override
                public int getBatchSize() {
                    return users.size();
                }
            }
        );
    }
}

6. JVM监控工具

6.1 JVisualVM配置

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# 启动JVisualVM并开启远程监控
jvisualvm -J-Dcom.sun.management.jmxremote
-J-Dcom.sun.management.jmxremote.port=3333
-J-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false
-J-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false

6.2 Arthas使用

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# 启动Arthas
java -jar arthas-boot.jar

# 常用命令
dashboard  # 系统整体情况
thread     # 线程信息
heapdump   # 导出堆信息
trace      # 方法调用追踪

7. 内存泄漏排查

7.1 常见内存泄漏场景

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public class MemoryLeakExample {
    private static final Map<String, Object> cache = new HashMap<>();
    
    // 可能导致内存泄漏的代码
    public void addToCache(String key, Object value) {
        cache.put(key, value);  // 没有清理机制
    }
    
    // 改进版本
    private static final Map<String, Object> improvedCache = 
        new WeakHashMap<>();
    
    public void addToImprovedCache(String key, Object value) {
        improvedCache.put(key, value);  // 使用WeakHashMap
    }
}

7.2 使用MAT分析

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# 生成堆转储文件
jmap -dump:format=b,file=heap.bin <pid>

# 使用MAT分析
# 1. 查看内存泄漏嫌疑对象
# 2. 分析对象引用链
# 3. 定位泄漏源

8. 性能测试

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@Test
public void performanceTest() {
    long start = System.nanoTime();
    // 执行待测试代码
    long end = System.nanoTime();
    
    System.out.printf("执行时间: %d ms%n", 
        TimeUnit.NANOSECONDS.toMillis(end - start));
}

最佳实践建议

合理配置JVM参数
定期进行GC日志分析
使用性能监控工具
及时排查内存泄漏
优化代码和SQL查询

性能优化清单

JVM参数优化

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# 生产环境推荐配置
-server
-Xms4g
-Xmx4g
-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-XX:HeapDumpPath=/path/to/dump
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCDateStamps
-Xloggc:/path/to/gc.log

代码优化

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// 1. 使用StringBuilder而不是String连接
// 2. 使用批量操作而不是循环单个操作
// 3. 使用并发集合而不是同步集合
// 4. 使用局部变量而不是类变量
// 5. 及时释放资源

总结

Java性能优化是一个持续的过程，需要从多个层面进行优化。通过合理的JVM配置、代码优化、数据库优化等手段，可以显著提升应用性能。建议建立性能监控体系，及时发现和解决性能问题。