Java 程序性能優化實戰

葛一鳴
　
國家認證系統分析師，Oracle數據庫認證專家（OCP）。
長期從事Java軟件開發，對Java程序設計和JVM有深入的研究，對設計模式、人工智能、神經網絡和數據挖掘等技術有濃厚的興趣。
目前專注於JVM培訓，學員累計超過萬人。

前言
第1章 Java性能調優概述 1
1.1 性能概述 1
1.1.1 看懂程序的性能 1
1.1.2 性能的參考指標 2
1.1.3 木桶原理與性能瓶頸 2
1.1.4 Amdahl定律 3
1.2 性能調優的層次 5
1.2.1 設計調優 5
1.2.2 代碼調優 6
1.2.3 JVM調優 6
1.2.4 數據庫調優 6
1.2.5 操作系統調優 7
1.3 基本調優策略和手段 7
1.3.1 優化的一般步驟 8
1.3.2 系統優化的註意事項 8
1.4 小結 9

第2章 設計優化 10
2.1 善用設計模式 10
2.1.1 單例模式 10
2.1.2 代理模式 15
2.1.3 享元模式 24
2.1.4 裝飾者模式 28
2.1.5 觀察者模式 34
2.1.6 值對象模式 38
2.1.7 業務代理模式 41
2.2 常用的優化組件和方法 44
2.2.1 緩沖 44
2.2.2 緩存 47
2.2.3 對象復用——池 51
2.2.4 並行替代串行 58
2.2.5 負載均衡 58
2.2.6 時間換空間 63
2.2.7 空間換時間 64
2.3 小結 66

第3章 Java程序優化 67
3.1 字符串優化處理 67
3.1.1 String對象及其特點 67
3.1.2 substring()方法的內存泄漏 69
3.1.3 字符串分割和查找 72
3.1.4 StringBuffer和StringBuilder 76
3.1.5 CompactStrings優化字符串存儲 80
3.2 核心數據結構 81
3.2.1 List接口 81
3.2.2 Map接口 88
3.2.3 Set接口 100
3.2.4 優化集合訪問代碼 101
3.2.5 RandomAccess接口 103
3.3 使用NIO提升性能 105
3.3.1 NIO中的Buffer類族和Channel 106
3.3.2 Buffer的基本原理 107
3.3.3 Buffer的相關操作 109
3.3.4 MappedByteBuffer性能評估 116
3.3.5 直接訪問內存 119
3.4 引用類型 121
3.4.1 強引用 121
3.4.2 軟引用 122
3.4.3 弱引用 123
3.4.4 虛引用 124
3.4.5 WeakHashMap類及其實現 127
3.5 性能測試工具JMH 129
3.5.1 JMH之Hello World 130
3.5.2 JMH之指定測量模式 131
3.5.3 JMH之對象作用域 134
3.5.4 JMH之代碼消除 135
3.6 有助於改善性能的技巧 137
3.6.1 使用局部變量 137
3.6.2 位運算代替乘除法 138
3.6.3 替換switch 139
3.6.4 一維數組代替二維數組 141
3.6.5 提取表達式 142
3.6.6 展開循環 143
3.6.7 布爾運算代替位運算 144
3.6.8 使用arrayCopy() 145
3.6.9 使用Buffer進行I/O操作 147
3.6.10 使用clone()代替new 149
3.6.11 慎用Java函數式編程 151
3.7 小結 152

第4章 並行程序開發及優化 153
4.1 並行程序設計模式 153
4.1.1 Future模式 153
4.1.2 Master-Worker模式 161
4.1.3 Guarded Suspension模式 165
4.1.4 不變模式 172
4.1.5 生產者-消費者模式 174
4.2 JDK多任務執行框架 178
4.2.1 無限制線程的缺陷 178
4.2.2 簡單的線程池實現 179
4.2.3 Executor框架 183
4.2.4 自定義線程池 185
4.2.5 優化線程池大小 189
4.2.6 擴展ThreadPoolExecutor 189
4.3 JDK並發數據結構 191
4.3.1 並發List 191
4.3.2 並發Set 193
4.3.3 並發Map 194
4.3.4 並發Queue 195
4.3.5 並發Deque 197
4.4 並發控制方法 199
4.4.1 Java內存模型與volatile 199
4.4.2 同步關鍵字synchronized 203
4.4.3 重入鎖 205
4.4.4 讀寫鎖 207
4.4.5 讀寫鎖的改進：StampedLock 209
4.4.6 Condition對象 210
4.4.7 信號量 212
4.4.8 線程局部變量ThreadLocal 214
4.5 鎖的性能和優化 215
4.5.1 線程的開銷 215
4.5.2 避免死鎖 215
4.5.3 減少鎖持有時間 219
4.5.4 減小鎖粒度 220
4.5.5 讀寫分離鎖來替換獨占鎖 221
4.5.6 鎖分離 222
4.5.7 重入鎖和內部鎖 224
4.5.8 鎖粗化 224
4.5.9 自旋鎖 226
4.5.10 鎖消除 226
4.5.11 鎖偏向 227
4.6 無鎖的並行計算 228
4.6.1 非阻塞的同步/無鎖 228
4.6.2 原子操作 228
4.6.3 Amino框架簡介 231
4.6.4 Amino集合 231
4.6.5 Amino樹 236
4.6.6 Amino圖 237
4.6.7 Amino簡單調度模式 238
4.7 協程 240
4.7.1 協程的概念 240
4.7.2 Kilim框架簡介 241
4.7.3 Task及其狀態 242
4.7.4 Fiber及其狀態 242
4.7.5 Kilim開發環境配置 243
4.7.6 Kilim之Hello World 244
4.7.7 多任務通信 246
4.7.8 Kilim實例及性能評估 247
4.8 小結 250

第5章 JVM調優 251
5.1 Java虛擬機內存模型 251
5.1.1 程序計數器 251
5.1.2 Java虛擬機棧 252
5.1.3 本地方法棧 258
5.1.4 Java堆 258
5.1.5 方法區 260
5.2 JVM內存分配參數 263
5.2.1 設置最大堆內存 264
5.2.2 設置最小堆內存 264
5.2.3 設置新生代 266
5.2.4 設置持久代 266
5.2.5 設置線程棧 267
5.2.6 堆的比例分配 269
5.2.7 堆分配參數總結 270
5.3 垃圾收集基礎 271
5.3.1 垃圾收集的作用 272
5.3.2 垃圾回收算法與思想 272
5.3.3 垃圾回收器的類型 277
5.3.4 評價GC策略的指標 278
5.3.5 新生代串行回收器 278
5.3.6 老年代串行回收器 279
5.3.7 並行回收器 280
5.3.8 新生代並行回收器 281
5.3.9 老年代並行回收器 282
5.3.10 CMS回收器 282
5.3.11 G1回收器 285
5.3.12 Stop the World案例 286
5.3.13 垃圾回收器對系統性能的影響 288
5.3.14 GC操作相關參數總結 289
5.4 常用調優案例和方法 291
5.4.1 將新對象預留在新生代 291
5.4.2 大對象進入老年代 294
5.4.3 設置對象進入老年代的年齡 296
5.4.4 穩定與振盪的堆大小 296
5.4.5 吞吐量優先案例 298
5.4.6 使用大頁案例 298
5.4.7 降低停頓案例 299
5.5 實用JVM參數 299
5.5.1 JIT編譯參數 299
5.5.2 堆快照 301
5.5.3 錯誤處理 302
5.5.4 獲取GC信息 302
5.5.5 類和對象跟蹤 304
5.5.6 控制GC 305
5.5.7 選擇類校驗器 305
5.5.8 Solaris下的線程控制 306
5.5.9 使用大頁 306
5.5.10 壓縮指針 306
5.6 JVM調優實戰 306
5.6.1 Tomcat簡介與啟動加速 307
5.6.2 Web應用程序簡介 309
5.6.3 JMeter簡介與使用 310
5.6.4 調優前Web應用運行狀況 313
5.6.5 調優過程 314
5.7 小結 315

第6章 Java性能調優工具 316
6.1 Linux命令行工具 316
6.1.1 top命令 316
6.1.2 sar命令 318
6.1.3 vmstat命令 319
6.1.4 iostat命令 321
6.1.5 pidstat工具 322
6.2 Windows工具 326
6.2.1 任務管理器 326
6.2.2 perfmon性能監控工具 328
6.2.3 Process Explorer工具 331
6.2.4 pslist命令行 333
6.3 JDK命令行工具 334
6.3.1 jps命令 335
6.3.2 jstat命令 336
6.3.3 jinfo命令 339
6.3.4 jmap命令 340
6.3.5 jhat命令 341
6.3.6 jstack命令 343
6.3.7 jstatd命令 346
6.3.8 hprof工具 347
6.3.9 jcmd命令 349
6.4 JConsole工具 350
6.4.1 JConsole連接Java程序 350
6.4.2 Java程序概況 351
6.4.3 內存監控 352
6.4.4 線程監控 352
6.4.5 類加載情況 354
6.4.6 虛擬機信息 354
6.4.7 MBean管理 355
6.4.8 使用插件 356
6.5 Visual VM多合一工具 357
6.5.1 Visual VM連接應用程序 358
6.5.2 監控應用程序概況 359
6.5.3 Thread Dump和分析 361
6.5.4 性能分析 362
6.5.5 快照 365
6.5.6 內存快照分析 365
6.5.7 MBean管理功能 367
6.5.8 TDA的使用 367
6.5.9 BTrace簡介 368
6.6 Visual VM對OQL的支持 374
6.6.1 Visual VM的OQL基本語法 374
6.6.2 內置heap對象 375
6.6.3 對象函數 376
6.6.4 集合/統計函數 380
6.6.5 程序化OQL 384
6.7 MAT內存分析工具 386
6.7.1 初識MAT 386
6.7.2 淺堆和深堆 389
6.7.3 支配樹 392
6.7.4 垃圾回收根 394
6.7.5 內存泄漏檢測 395
6.7.6 最大對象報告 396
6.7.7 查找支配者 396
6.7.8 線程分析 397
6.7.9 集合使用情況分析 398
6.7.10 擴展MAT 399
6.8 MAT對OQL的支持 403
6.8.1 Select子句 404
6.8.2 From子句 406
6.8.3 Where子句 407
6.8.4 內置對象與方法 408
6.9 來自JRockit的禮物——JMC 411
6.9.1 得到JFR文件 412
6.9.2 Java程序的整體運行情況 413
6.9.3 CPU分析 413
6.9.4 內存分析 414
6.9.5 I/O分析 416
6.10 小結 418