作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
随着互联网、移动互联网、电子支付等应用的普及，基于Web开发的企业级应用已经成为一种非常主流的开发模式。对于如何高效地开发出具有良好用户体验和高性能的Web应用程序，无论从技术实现还是服务端架构都需要进行一些优化和改进。在这种背景下，Java已成为市场上最受欢迎的语言之一，其作为一个高性能、跨平台、功能强大的编程语言正在迅速崛起。这不仅使得Java成为最佳的“选择”，更重要的是它所提供的丰富的API和工具库为开发人员提供了构建健壮、稳定的应用程序的能力。因此，本专栏将以Java语言为主线，通过系统的学习Java性能调优技巧和内存管理知识点，帮助读者深刻理解Java在Web开发中的作用及工作原理。
作者简介：莫烦（俗称码农），目前就职于微软中国区一线研发部，负责技术架构、研发，喜欢研究新技术，精通Java编程语言和数据库相关技术。除了日常工作外，他也是一个开源爱好者，参与开源项目如Hutool和Mybatis-Plus并做了一些贡献。
2.基础知识
2.1 Java虚拟机
Java是一门面向对象的语言，既可以用于编写桌面应用程序，也可以用于开发Web应用程序。为了实现跨平台特性，Java编译器编译生成字节码文件，由Java虚拟机(JVM)执行字节码。JVM运行时将字节码文件转换成操作系统能够识别的机器指令，这样就可以让不同系统上的程序共用同一个Java运行环境，从而实现跨平台特性。JVM包括类加载器、堆内存、方法区、垃圾回收、JIT编译等模块。
2.2 JVM内存结构
JVM内存结构分为五个部分：方法区、堆内存、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。其中，程序计数器是当前线程所执行的字节码行号指示器；虚拟机栈是执行引擎运行时的数据区域，每个方法被执行的时候，一个栈帧就产生，保存局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口信息。每个栈帧中都包含以下部分：
1.局部变量表：用于存放方法的参数和局部变量。当方法调用时，参数值如果没有变化，则局部变量表中的参数不会被复制到新的栈帧中，这样可以节省内存空间。
2.操作数栈：也叫表达式栈，用于存放计算过程中间结果。一条Bytecode指令在执行的时候，可能会产生一个或者多个操作数，这些操作数就是保存在这个栈中，例如，加法运算符+需要两个操作数才能完成。
3.动态链接：指向运行时常量池的方法引用。每个栈帧在创建的时候，都会被赋予一个指针，指向运行时常量池中的方法引用。当方法调用时，根据该方法引用找到实际的目标方法，并且更新栈帧数据。
4.返回地址：方法正常退出或者异常退出后的跳转地址。每当方法执行完毕后，JVM都会释放对应的栈帧，并在调用该方法的栈帧中记录返回地址，以便回到方法调用前继续执行。
5.方法区：主要用于存储已被加载的类的元数据信息、静态变量、常量、编译器编译后的代码等数据。由于方法区属于堆外内存，所以其大小比较难确定，一般取决于系统可用内存大小和各个类的体积。
2.3 对象创建流程
对象创建一般有如下几个阶段：
类检查：首先判断要创建的对象是否是某个类的实例。
分配内存：JVM根据对象的数据类型确定内存的分配方式。比如，如果是boolean型的，那么只需一个bit的空间，如果是int型的，那么需要四个byte的空间。JVM还会根据预期的内存大小来设置最小内存分配单元，然后进行内存分配。
初始化零值：对象内存被分配后，JVM会初始化零值，比如，整型变量的值默认为0，布尔型变量值为false。
执行构造函数：如果构造函数存在的话，那么此时就会执行构造函数对成员变量进行赋值操作，比如，对象属性默认值或通过其他方式初始化。
返回引用：最后，JVM会返回对象的引用。对于之前创建过的对象来说，返回的引用就是之前分配的那块内存。
2.4 JVM优化策略
JVM性能调优常用的优化手段有：
编译优化：优化编译器的编译选项，提升编译速度，减少生成的代码量，从而提升JVM的运行速度。
GC优化：调整GC算法，减小GC停顿时间，从而提升JVM的吞吐量。
内存优化：压缩堆内存、增大Heap空间，减少FullGC频率。
线程优化：减少线程数量、减小线程切换开销，提升并发处理能力。
第三方库选择：选择合适的第三方库，降低开发难度，提升性能。
3.GC（Garbage Collection）机制
GC是JVM自动内存管理的一种算法。JVM通过GC算法自动管理内存，确保无用对象内存空间被回收，同时避免内存泄漏和内存溢出的问题。JVM中实现了不同的GC算法，其中最著名的有两种：引用计数法和标记-清除算法。
3.1 引用计数法
引用计数法是老生代垃圾收集算法的古老代表，其主要思路是为每个对象维护一个引用计数器，当有一个地方引用它时，计数器加1；当引用失效时，计数器减1；任何时候计数器为0的对象即为可回收对象。但是这种方法存在一个缺陷，它不能解决循环引用的问题。
3.2 标记-清除算法
标记-清除算法是第一次用于商用计算机上，其基本思路是先扫描所有仍然有效的对象，标记它们，然后回收掉所有的未标记的对象，标记-清除算法效率较差，而且容易造成内存碎片。
3.3 标记-整理算法
标记-整理算法的目的是降低内存碎片化，其基本思路是首先扫描所有仍然有效的对象，标记它们，然后回收掉所有的未标记的对象，移动所有的可回收对象，完成之后才进行内存整理。
3.4 分代收集算法
分代收集算法是JVM内存管理的一个特色，其基本思路是把内存划分为几块，不同代的对象采用不同的算法进行回收。新生代采用复制算法，老年代采用标记-清除或标记-整理算法。新生代收集器是绝大部分对象的内存分配所在，所以占用空间小，回收频率低，每次GC仅回收少量对象。老年代对象一般较大，回收频率高，每次GC会回收大量对象，因此效率比新生代收集器高很多。
4.JVM性能分析工具
4.1 JConsole
JConsole是Oracle公司推出的图形化监视工具，可以直观地查看JVM的运行状态、配置信息、线程状况、类加载信息等。可以通过它查看内存占用情况、GC回收情况、线程活动、类加载等数据。安装JConsole后，在控制台输入jconsole命令即可打开JConsole。
4.2 VisualVM
VisualVM是Sun公司推出的一个基于图形界面的JVM监视工具。它内置了许多监测功能，包括CPU消耗、堆内存使用、GC操作、线程状况、类加载、JMX管理等，可以直观地查看JVM的运行状态。安装VisualVM后，在控制台输入visualvm命令即可打开VisualVM。
4.3 Flight Recorder
Flight Recorder是OpenJDK 7u40版本引入的新特性，它可以记录JVM运行时各种性能指标，包括CPU使用、内存使用、垃圾回收、锁操作等。通过它可以了解JVM在运行时的状态、瓶颈、热点代码、死锁等问题。Flight Recorder默认关闭，需要手动开启，可以在启动JVM时添加-XX:+UnlockCommercialFeatures -XX:+FlightRecorder开关。
5.内存管理优化技巧
5.1 JVM参数设置
JVM中有几个常用的参数影响JVM的性能：
-Xms/-Xmx：设置初始最大堆内存，默认情况下JVM堆内存大小是物理内存的1/64。
-Xmn：设置新生代大小，默认情况下新生代大小是整个堆内存的1/3。
-Xss：设置每个线程的堆栈大小。
-XX:NewRatio：设置新生代和老年代的比例，默认情况下，新生代是老年代的1倍。
-XX:SurvivorRatio：设置新生代中Eden区与Survivor区的大小比例，默认情况下，Eden：Survivor=8：1。
XX:+UseConcMarkSweepGC：设置CMS GC，Sun公司推出的一种GC算法。
-XX:+UseParallelGC：设置Parallel Scavenge GC，IBM公司推出的一种GC算法。
-XX:+PrintGCDetails：打印GC详细信息。
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：当JVM内存不足时，输出堆转储快照文件。
-Dsun.zip.disableMemoryMapping：禁止内存映射，默认情况下JVM使用内存映射，即直接访问物理内存，提升随机读取性能。
5.2 HotSpot虚拟机参数设置
HotSpot虚拟机内部还有一些参数也影响JVM的性能，包括Java heap size(堆大小)，Young Generation Size(年轻代大小)，Tenured Generation Size(老年代大小)，Thread Stack Size(线程堆栈大小)。可以通过启动JVM时增加-XX:+
-XX:-TieredCompilation：关闭编译时优化，提升编译速度。-XX:+AlwaysPreTouch：程序启动时预先分配存活对象内存，降低Java堆碎片化。-XX:InitialRAMPercentage：指定JVM启动时占用的初始RAM百分比，默认是空闲内存的30%。-XX:MaxRAMPercentage：限制JVM占用的总RAM百分比。-XX:PermSize/-XX:MaxPermSize：限制Permanent generation的大小。-XX:MetaspaceSize/-XX:MaxMetaspaceSize：限制Metaspace的大小。-XX:+UseCompressedClassPointers：压缩类的指针，提升内存使用效率。-XX:+UseCompressedOops：压缩对象头，提升内存使用效率。-XX:+UseStringDeduplication：字符串重复利用，减少内存占用。-XX:+DisableExplicitGC：禁止显式GC，降低GC压力。-XX:ConcGCThreads：设置并发GC线程数。
5.3 类加载优化
类加载优化主要包括三个方面：
热点代码缓存：通过编译优化，将热点代码编译成本地代码，提升执行效率。
冷启动优化：通过预先加载常用类，减少冷启动时间。
反射优化：通过精心设计反射调用，减少反射调用带来的性能损耗。
5.4 安全管理器优化
安全管理器是Java提供的一套安全机制，用来控制程序对系统资源的访问权限。安全管理器可以防止恶意代码对系统的破坏性攻击。安全管理器的性能可以通过下列方式进行优化：
使用自定义安全策略：通过自定义安全策略，调整安全管理器对系统资源的访问权限。
暂时关闭安全管理器：暂时关闭安全管理器，降低安全管理器的性能损耗。
6.内存泄漏检测与处理
内存泄漏是指程序在运行过程中不断申请内存，但是却无法回收，最终导致系统资源紧张甚至导致系统崩溃的现象。通过内存泄漏检测，开发人员可以及时发现并解决内存泄漏问题。
哪些对象存在内存泄漏？
通过分析堆快照来定位内存泄漏对象。
通过内存泄漏工具来排查内存泄漏问题。
如何定位程序中的内存泄漏？
如何解决内存泄漏问题？