從JVM看性能分析與設計

2019-11-11 04:50:22

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供稿：網友

java語言自90年代出現以來，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，其運行速度一般要比Java快一倍以上。怎樣提高java應用程序的效率是廣大程序員關心問題。本文將從與Java字節碼的運行過程中影響性能的相關因素的分析入手,然后,探討一些在Java代碼的設計過程中具體的有助于提高性能的策略。一、性能分析 JVM運行時的負載主要集中在字節碼的執行，內存管理，線程管理和其他的操作幾個方面。 1.1 JVM的結構 JVM中運行的是Java字節碼(Bytecode).class文件，這種class文件除了準確定義一個類或接口的表示外,還定義了一些與平臺相關的諸如字節順序的詳細信息。 Java的數據類型分為PRimitive和reference，對于不同的數據類型的運算在JVM中的有不同的指令去執行,比如iadd，ladd，fadd就是分別針對int，long，float的加法運算,當然,它們的執行效率也不一樣，運行時的數據區，在一個程序運行時,JVM都要為它定義不同的運行數據區，有些數據區在JVM啟動時就創建好了,直到整個JVM退出時才釋放掉，還有一些數據區的是屬于每個線程的,它的生命周期與線程相等。 JVM中的邏輯結構有: PC(program counter)寄存器,每個線程有自己的PC(program counter)寄存器,當JVM執行的方法不是本地（Native）的時,這里存放當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),當創建線程時,每個線程都創建一個屬于自己的棧,用來存放frames(見下面),它存有本地變量，方法調用中的部分結果。堆(heap),JVM中所有線程共享這個堆，類的實例和數組都是從堆中分配內存的，堆是在整個JVM啟動時初始化的。方法區(Method Area),線程間共享，它存放每個類中的運行時常數池(runtime constant pool)，域值和方法數據,以及方法和類的構造函數的代碼,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，運行時常數池(runtime constant pool),是每個類或接口的class文件中的常數池表在運行時的表示，它包括各種常數如編譯時就知道的數字常量,還有運行時才能確定的方法和域的引用，類似傳統語言的符號表，本地(Native )方法棧(Stack)，用來支持本地(Native)方法調用，這些方法用非Java的語言編寫,需要傳統的”C”棧。幀(Frames),存放方法調用中的數據和部分結果及返回值,執行動態連接,分派例外，一個新的Frame在方法被調用時創建,方法調用正常或非正常完成時銷毀，Frame從每個線程創建的JVM的棧中分配內存,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)和指向當前方法的運行時常數池的引用，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為當前Frame,它的方法為當前方法,方法所屬的類為當前類，當這個方法又調用別的方法或結束時,這個當前Frame不再激活,一個新的Frame被創建并成為當前Frame,直到當前方法調用完成后,這個Frame被釋放并返回結果,前一個方法的Frame成為當前的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。動態連接(Dynamic Linking),每個Frame包含一個指向當前方法的運行時常數池的引用,它通過符號引用(symbolic references)訪問變量和指向被引用的方法，動態連接(Dynamic Linking)在運行時將這些方法的符號引用轉為具體的方法引用,并加載相應的類，它還將變量影射到當前運行時的變量的內存偏移上。 1.2 字節碼(Bytecode)的執行 JVM動態地加載(Loads)，連接(Links)和初始化(Initializes)類和接口的字節碼，加載(Loading)就是JVM發現具有某一特定名字的類或接口的二進制表示,并從這個二進制表示在內存中創建出一個類或接口，連接(Linking)就是使一個類或接口與JVM的運行時狀態很好的結合,以便執行它，一個類或接口的初始化就是執行它的初始化方法。 1.3 內存管理 Java是一個面向對象的語言，因此,在JVM的內存中大部分是對象，從上面的分析我們知道,對象的內存是從堆(heap)分配的，對象內存的回收是由自動內存管理系統(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存的，垃圾收集器Garbage Collector通過記錄指向對象的引用的數目來決定是否釋放對象所占據的內存空間,當指向某個對象的引用數為零時,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存,線程間的共享變量是存放在整個JVM的主內存中的,線程間數據的同步通過lock來共享數據并保證數據的一致性，線程間控制的轉移通過對wait，notify等方法的調用來實現。 二、性能設計 通過以上的分析,我們就以下幾個方面提出一些有關性能設計的策略。 2.1 對象的構造從上面我們知道,Java對象的內存是自動管理的，因此,一般認為,程序員是不用擔心內存的分配的，但這種想法是不完全正確的，java通過垃圾收集器(Garbage Collector)來處理內存分配與釋放的底層操作,程序員不用直接管理內存,這樣防止了由于內存的錯誤操作導致的數據破壞(corruption)，但并不意味著程序員不用擔心內存的使用,內存的使用不但會給系統帶來很大的負擔，比如,Java并不阻止程序占用過多的內存,當對象向堆所請求的內存不足時,垃圾收集器(Garbage Collector)就會自動啟動,釋放那些引用數為零的對象所占用的內存，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對象的引用,則程序運行時的內存隨著時間的推移而增加,發生所謂內存泄漏(memory leaks)，創建對象不但消耗CPU的時間和內存,同時,為釋放對象內存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：盡量避免在被經常調用的代碼中創建對象。對于集合類(collection),應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,當你的要求大于這個缺省的大小時,JVM就會重新創建一個新的collection對象,原來的對象就釋放掉，這樣必然會增加JVM的負擔。當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,最好將這個變量設計為靜態(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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