Java性能优化 · 基础篇

本篇是针对 Java 语言基础内容（常用类、容器、IO、序列化、网络编程）的调优总结，其中的很多内容在 通用系统性能优化 里也提到过，例如充分利用 cpu cache（arraylist、填充字段避免伪共享）、调整 tcp 连接相关参数等。

字符串

String 的实现演进

版本	底层结构	关键变更
Java 6 及之前	char[] + offset + count	共享数组可导致 substring 内存泄漏
Java 7 ~ 8	char[]	取消 offset/count，substring 不再共享数组
Java 9+	byte[] + coder	节约内存:Latin-1 用 1 字节，UTF-16 用 2 字节

核心要点:String 的不可变性由 final class + private final char[]/byte[] 保证。

不可变性的四个作用

1. 安全性:防止恶意篡改
2. 哈希稳定:hash 不变，适合作为 HashMap/HashTable 的 key
3. 字符串常量池:相同字面量可复用
4. 线程安全:多线程下无需同步

优化策略

场景	推荐做法	原因
长字符串拼接	StringBuilder	避免循环内反复创建 String 对象
多线程拼接	StringBuffer	线程安全，但有锁开销，性能低于 StringBuilder
大量重复字符串	String.intern()	把对象移到常量池复用，节省堆内存
字符串分割	优先 indexOf	避免 split 内部正则回溯带来的 CPU 风险

关于 intern():常量池基于 HashTable 实现，数据量过大时遍历成本高，需结合场景使用。

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正则表达式

引擎选型

引擎	时间复杂度	特性	代表
DFA	O(n)	功能弱、构建昂贵	较少使用
NFA	O(ns)	支持捕获组、环视、占有优先	Java/JS/Python

Java 正则基于 NFA，因此回溯是性能问题的根源。

匹配模式

模式	写法	行为
贪婪	ab{1,3}c	尽可能多匹配，失败时回溯
懒惰	ab{1,3}?c	尽可能少匹配
独占	ab{1,3}+bc	尽可能多匹配，失败不回溯，直接结束

核心结论:能用独占模式解决的问题，不要用贪婪模式;能用懒惰模式时优先懒惰。

性能优化四原则

1. 减少贪婪:能用独占就不要用贪婪
2. 减少分支:把常用项放前面;提取公共前缀;简单分支可用 indexOf 替代 (X|Y|Z)
3. 减少捕获嵌套:用 (?:X) 替代 (X)，降低分组开销
4. 避免回溯型灾难:警惕嵌套量词对相同字符重复匹配

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集合与 Stream

ArrayList vs LinkedList 选型

维度	ArrayList	LinkedList
底层	Object[]	双向链表
随机访问	O(1)	O(n)
头部增删	O(n) 数组复制	O(1)
中间增删	O(n) 数组复制	O(n) 查找 + O(1) 修改
尾部追加(无扩容)	O(1) 最快	O(1) 但有 new 对象开销
内存占用	紧凑	每个元素多 2 个指针

反直觉的结论:

• “LinkedList 增删快” — 仅在头部成立;中间位置反而比 ArrayList 慢
• “ArrayList 遍历快” — for 循环最快;迭代器循环两者相近
• 遍历 LinkedList 严禁用 for 循环:每次循环都要遍历半个链表

ArrayList 三个易错点

1. 初始化容量:预知大小时显式传入 new ArrayList<>(size)，避免多次 1.5 倍扩容
2. transient 不等于不可序列化:ArrayList 自定义 writeObject/readObject，只序列化有数据的部分
3. 扩容公式:newCapacity = oldCapacity + (oldCapacity >> 1)，即 1.5 倍

Stream

操作分类	说明
中间操作	懒执行，只构建调用链
终结操作	真正执行计算
无状态	不受前置元素影响(filter/map)
有状态	需要全部元素(sort/distinct)
短路	满足条件即可终止(find/anyMatch)
非短路	必须遍历全部

Stream 使用决策树:

数据量小 → 常规 for 循环
数据量大 + 单核 → 常规 for 循环(并行无优势)
数据量大 + 多核 CPU → Stream 并行流(ForkJoin 分片)

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HashMap 设计与优化

数据结构演进

JDK 1.7:  数组 + 链表(头插法，扩容时可能死循环)
JDK 1.8:  数组 + 链表 + 红黑树(尾插法，链表长度 ≥ 8 转红黑树)

关键参数

参数	默认值	作用
initialCapacity	16	哈希表初始大小，必须是 2 的幂
loadFactor	0.75	触发扩容的填充阈值
threshold	16 × 0.75 = 12	实际扩容阈值
TREEIFY_THRESHOLD	8	链表长度超过此值转为红黑树
UNTREEIFY_THRESHOLD	6	红黑树退化回链表的阈值

0.75 的来源:在时间和空间成本上的折中 — 过大查询慢，过小空间浪费。

哈希算法

static final int hash(Object key) {
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

• 高 16 位异或低 16 位:打散哈希高位，降低冲突概率
• (n - 1) & hash 用位运算替代取模:n 为 2 的幂时，等价于 hash % n

优化建议

1. 预知容量: initialCapacity = 预期元素数 / loadFactor + 1，减少 resize
2. 容量必须是 2 的幂:位运算代替取模;扩容时只需看新增的最高位
3. 重写 hashCode:分散性好的 hashCode 能显著降低冲突
4. JDK 1.8 扩容优化:通过 (e.hash & oldCap) == 0 判断新位置，无需重新计算所有 hash

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I/O 模型

传统 I/O 两大瓶颈

1. 多次内存复制:用户空间 ↔ 内核空间 ↔ 设备，至少两次拷贝
2. 阻塞:read/write 是同步阻塞调用，线程数随连接数线性增长

五种 I/O 模型

模型	特点	适用
阻塞 I/O	一连接一线程	连接少
非阻塞 I/O	轮询检查，EAGAIN 错误	极少使用
I/O 复用	select/poll/epoll 单线程管理多连接	高并发主流方案
信号驱动	内核 SIGIO 通知	UDP 场景
异步 I/O	内核完成所有操作后通知	Windows AIO

select / poll / epoll 对比:

维度	select	poll	epoll
最大 fd 数	1024	无上限	无上限
数据结构	数组 fd_set	动态数组	红黑树 + 就绪链表
扫描方式	线性扫描	线性扫描	事件回调
时间复杂度	O(n)	O(n)	O(1)

关于三种多路复用模式更详细的对比可以阅读 IO多路复用不同实现及对比。

NIO 三大组件

Channel(通道)     — 双向数据通道，可读可写
Buffer(缓冲区)    — 块操作的基本单位
Selector(多路复用) — 单线程监听多个 Channel 的事件

零拷贝

零拷贝 的主要优势就是减少了数据的拷贝次数与操作系统状态的切换。

• mmap:用户空间与内核空间共享同一块物理内存，避免数据拷贝
• DirectBuffer:JVM 堆外内存，内核可直接访问
• Netty 的 FileRegion、transferTo 底层都基于 mmap/sendfile

Reactor 线程模型演进

单线程 Reactor   →  多线程 Reactor  →  主从 Reactor(Netty/Tomcat NIO 采用)
                  (Acceptor + Worker)  (Acceptor 池 + Worker 池)

Tomcat 调优关键参数

参数	含义	默认	调优建议
acceptorThreadCount	Acceptor 线程数	1	连接量大时调大
maxThreads	Worker 线程数	200	按业务调整，不是越大越好
acceptCount	accept 队列长度	100	keep-alive 关闭时可调大
maxConnections	最大连接数	10000	NIO 模式下应远大于 maxThreads

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RPC 通信

关于 RPC 的发展史和约定可以阅读 选择合适的RPC ，详细介绍了 RPC 的核心内容和 SOAP、Rest 发展历程

RMI 三大瓶颈

瓶颈	来源
Java 默认序列化	性能差、不能跨语言
TCP 短连接	高并发下连接创建/销毁开销大
阻塞式 I/O	线程无法复用

高并发 RPC 优化七层路径

1. 协议选型:TCP(可靠)/UDP(局域网高效)

2. 连接模式:服务间使用单一长连接，避免短连接反复握手

3. 通信框架:Netty 替代传统 Socket

4. 报文格式:小报体、易解析

5. 序列化:Protobuf/Hessian

   | 框架 | 性能 | 体积 | 跨语言 | 易用性 | 典型场景 |

|——|——|——|——–|——–|———|
| Java Serialization | 差 | 大 | 否 | 高 | 已不推荐 |
| Hessian | 中 | 中 | 是 | 高 | Dubbo 默认 |
| JSON (FastJson/Jackson) | 中 | 较大 | 是 | 高 | 跨语言 API |
| Kryo | 高 | 小 | 否 | 中 | RPC、游戏 |
| Protobuf | 高 | 小 | 是 | 中 | 推荐首选 |

6. TCP 参数调优:见下表

7. Linux 内核参数:net.core.somaxconn、tcp_tw_reuse 等

Netty 是 Java 非常强大的网络编程框架，有很多高性能的设计，Netty 系列中对其的无锁串行化、核心架构都有介绍。

TCP 关键参数

参数	作用	调优建议
TCP_NODELAY	关闭 Nagle 算法	时延敏感场景关闭
SO_RCVBUF / SO_SNDBUF	收发缓冲区大小	根据包大小调整
SO_BACKLOG	accept 队列长度	高并发调大
SO_KEEPALIVE	长连接保活	缩短探测间隔

关于 TCP 连接的参数还有很多，可以参考 系统性能优化之TCP篇 的内容～