Java大对象
农民工老王 人气:0本文我们将讲解一下对于“大对象”的优化。这里的“大对象”，是一个泛化概念，它可能存放在 JVM 中，也可能正在网络上传输，也可能存在于数据库中。
那么为什么大对象会影响我们的应用性能呢？
第一，大对象占用的资源多，垃圾回收器要花一部分精力去对它进行回收；
第二，大对象在不同的设备之间交换，会耗费网络流量，以及昂贵的 I/O；
第三，对大对象的解析和处理操作是耗时的，对象职责不聚焦，就会承担额外的性能开销。
结合我们前面提到的缓存，以及对象的池化操作，加上对一些中间结果的保存，我们能够对大对象进行初步的提速。
但这还远远不够，我们仅仅减少了对象的创建频率，但并没有改变对象“大”这个事实。本文，将从 JDK 的一些知识点讲起，先来看几个面试频率比较高的对象复用问题；接下来，从数据的结构纬度和时间维度出发，分别逐步看一下一些把对象变小，把操作聚焦的策略。
String中的substring
我们都知道，String 在 Java 中是不可变的，如果你改动了其中的内容，它就会生成一个新的字符串。如果我们想要用到字符串中的一部分数据，就可以使用 substring 方法。
下面是Java11中String的源码。
public String substring(int beginIndex) {
if (beginIndex < 0) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
}
int subLen = length() - beginIndex;
if (subLen < 0) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
}
if (beginIndex == 0) {
return this;
}
return isLatin1() ? StringLatin1.newString(value, beginIndex, subLen)
: StringUTF16.newString(value, beginIndex, subLen);
}
public static String newString(byte[] val, int index, int len) {
if (String.COMPACT_STRINGS) {
byte[] buf = compress(val, index, len);
if (buf != null) {
return new String(buf, LATIN1);
}
}
int last = index + len;
return new String(Arrays.copyOfRange(val, index << 1, last << 1), UTF16);
}
如上述代码所示，当我们需要一个子字符串的时候，substring 生成了一个新的字符串，这个字符串通过构造函数的 Arrays.copyOfRange 函数进行构造。
这个函数在 Java7 之后是没有问题的，但在Java6 中，却有着内存泄漏的风险，我们可以学习一下这个案例，来看一下大对象复用可能会产生的问题。下面是Java6中的代码：
public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
if (beginIndex < 0) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
}
if (endIndex > count) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
}
if (beginIndex > endIndex) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex - beginIndex);
}
return ((beginIndex == 0) && (endIndex == count)) ?
this :
new String(offset + beginIndex, endIndex - beginIndex, value);
}
String(int offset, int count, char value[]) {
this.value = value;
this.offset = offset;
this.count = count;
}
可以看到，它在创建子字符串的时候，并不只拷贝所需要的对象，而是把整个 value 引用了起来。如果原字符串比较大，即使不再使用，内存也不会释放。
比如，一篇文章内容可能有几兆，我们仅仅是需要其中的摘要信息，也不得不维持整个的大对象。
有一些工作年限比较长的面试官，对 substring 还停留在 JDK6 的印象，但其实，Java 已经将这个 bug 给修改了。如果面试时遇到这个问题，保险起见，可以把这个改善过程答出来。
这对我们的借鉴意义是：如果你创建了比较大的对象，并基于这个对象生成了一些其他的信息，这个时候，一定要记得去掉和这个大对象的引用关系。
集合大对象扩容
对象扩容，在 Java 中是司空见惯的现象，比如 StringBuilder、StringBuffer、HashMap，ArrayList 等。概括来讲，Java 的集合，包括 List、Set、Queue、Map 等，其中的数据都不可控。在容量不足的时候，都会有扩容操作，扩容操作需要重新组织数据，所以都不是线程安全的。
我们先来看下 StringBuilder 的扩容代码：
void expandCapacity(int minimumCapacity) {
int newCapacity = value.length * 2 + 2;
if (newCapacity - minimumCapacity < 0)
newCapacity = minimumCapacity;
if (newCapacity < 0) {
if (minimumCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
}
value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
}
容量不够的时候，会将内存翻倍，并使用 Arrays.copyOf 复制源数据。
下面是 HashMap 的扩容代码，扩容后大小也是翻倍。它的扩容动作就复杂得多，除了有负载因子的影响，它还需要把原来的数据重新进行散列，由于无法使用 native 的 Arrays.copy 方法，速度就会很慢。
void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
resize(2 * table.length);
hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
}
createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}
void resize(int newCapacity) {
Entry[] oldTable = table;
int oldCapacity = oldTable.length;
if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return;
}
Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
table = newTable;
threshold = (int) Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}
List 的代码大家可自行查看，也是阻塞性的，扩容策略是原长度的 1.5 倍。
由于集合在代码中使用的频率非常高，如果你知道具体的数据项上限，那么不妨设置一个合理的初始化大小。比如，HashMap 需要 1024 个元素，需要 7 次扩容，会影响应用的性能。面试中会频繁出现这个问题，你需要了解这些扩容操作对性能的影响。
但是要注意，像 HashMap 这种有负载因子的集合（0.75），初始化大小 = 需要的个数/负载因子+1，如果你不是很清楚底层的结构，那就不妨保持默认。
接下来，我将从数据的结构纬度和时间维度出发，讲解一下应用层面的优化。
保持合适的对象粒度
给你分享一个实际案例：我们有一个并发量非常高的业务系统，需要频繁使用到用户的基本数据。
如下图所示，由于用户的基本信息，都是存放在另外一个服务中，所以每次用到用户的基本信息，都需要有一次网络交互。更加让人无法接受的是，即使是只需要用户的性别属性，也需要把所有的用户信息查询，拉取一遍。
为了加快数据的查询速度，对数据进行了初步的缓存，放入到了 Redis 中，查询性能有了大的改善，但每次还是要查询很多冗余数据。
原始的 redis key 是这样设计的：
type: string
key: user_${userid}
value: json
这样的设计有两个问题：
查询其中某个字段的值，需要把所有 json 数据查询出来，并自行解析；
更新其中某个字段的值，需要更新整个 json 串，代价较高。
针对这种大粒度 json 信息，就可以采用打散的方式进行优化，使得每次更新和查询，都有聚焦的目标。
接下来对 Redis 中的数据进行了以下设计，采用 hash 结构而不是 json 结构：
type: hash
key: user_${userid}
value: {sex:f, id:1223, age:23}
这样，我们使用 hget 命令，或者 hmget 命令，就可以获取到想要的数据，加快信息流转的速度。
Bitmap 把对象变小
除了以上操作，还能再进一步优化吗？比如，我们系统中就频繁用到了用户的性别数据，用来发放一些礼品，推荐一些异性的好友，定时循环用户做一些清理动作等；或者，存放一些用户的状态信息，比如是否在线，是否签到，最近是否发送信息等，从而统计一下活跃用户等。那么对是、否这两个值的操作，就可以使用 Bitmap 这个结构进行压缩。
这里还有个高频面试问题，那就是 Java 的 Boolean 占用的是多少位？
在 Java 虚拟机规范里，描述是：将 Boolean 类型映射成的是 1 和 0 两个数字，它占用的空间是和 int 相同的 32 位。即使有的虚拟机实现把 Boolean 映射到了 byte 类型上，它所占用的空间，对于大量的、有规律的 Boolean 值来说，也是太大了。
如代码所示，通过判断 int 中的每一位，它可以保存 32 个 Boolean 值！
int a= 0b0001_0001_1111_1101_1001_0001_1111_1101;
Bitmap 就是使用 Bit 进行记录的数据结构，里面存放的数据不是 0 就是 1。还记得我们在之前 《分布式缓存系统必须要解决的四大问题》中提到的缓存穿透吗？就可以使用 Bitmap 避免，Java 中的相关结构类，就是 java.util.BitSet，BitSet 底层是使用 long 数组实现的，所以它的最小容量是 64。
10 亿的 Boolean 值，只需要 128MB 的内存，下面既是一个占用了 256MB 的用户性别的判断逻辑，可以涵盖长度为 10 亿的 ID。
static BitSet missSet = new BitSet(010_000_000_000);
static BitSet sexSet = new BitSet(010_000_000_000);
String getSex(int userId) {
boolean notMiss = missSet.get(userId);
if (!notMiss) {
//lazy fetch
String lazySex = dao.getSex(userId);
missSet.set(userId, true);
sexSet.set(userId, "female".equals(lazySex));
}
return sexSet.get(userId) ? "female" : "male";
}
这些数据，放在堆内内存中，还是过大了。幸运的是，Redis 也支持 Bitmap 结构，如果内存有压力，我们可以把这个结构放到 Redis 中，判断逻辑也是类似的。
再插一道面试算法题：给出一个 1GB 内存的机器，提供 60亿 int 数据，如何快速判断有哪些数据是重复的？
大家可以类比思考一下。Bitmap 是一个比较底层的结构，在它之上还有一个叫作布隆过滤器的结构（Bloom Filter），布隆过滤器可以判断一个值不存在，或者可能存在。
如图，它相比较 Bitmap，它多了一层 hash 算法。既然是 hash 算法，就会有冲突，所以有可能有多个值落在同一个 bit 上。它不像 HashMap一样，使用链表或者红黑树来处理冲突，而是直接将这个hash槽重复使用。从这个特性我们能够看出，布隆过滤器能够明确表示一个值不在集合中，但无法判断一个值确切的在集合中。
Guava 中有一个 BloomFilter 的类，可以方便地实现相关功能。
上面这种优化方式，本质上也是把大对象变成小对象的方式，在软件设计中有很多类似的思路。比如像一篇新发布的文章，频繁用到的是摘要数据，就不需要把整个文章内容都查询出来；用户的 feed 信息，也只需要保证可见信息的速度，而把完整信息存放在速度较慢的大型存储里。
数据的冷热分离
数据除了横向的结构纬度，还有一个纵向的时间维度，对时间维度的优化，最有效的方式就是冷热分离。
所谓热数据，就是靠近用户的，被频繁使用的数据；而冷数据是那些访问频率非常低，年代非常久远的数据。
同一句复杂的 SQL，运行在几千万的数据表上，和运行在几百万的数据表上，前者的效果肯定是很差的。所以，虽然你的系统刚开始上线时速度很快，但随着时间的推移，数据量的增加，就会渐渐变得很慢。
冷热分离是把数据分成两份，如下图，一般都会保持一份全量数据，用来做一些耗时的统计操作。
由于冷热分离在工作中经常遇到，所以面试官会频繁问到数据冷热分离的方案。下面简单介绍三种：
数据双写
把对冷热库的插入、更新、删除操作，全部放在一个统一的事务里面。由于热库（比如 MySQL）和冷库（比如 Hbase）的类型不同，这个事务大概率会是分布式事务。在项目初期，这种方式是可行的，但如果是改造一些遗留系统，分布式事务基本上是改不动的，我通常会把这种方案直接废弃掉。
写入 MQ 分发
通过 MQ 的发布订阅功能，在进行数据操作的时候，先不落库，而是发送到 MQ 中。单独启动消费进程，将 MQ 中的数据分别落到冷库、热库中。使用这种方式改造的业务，逻辑非常清晰，结构也比较优雅。像订单这种结构比较清晰、对顺序性要求较低的系统，就可以采用 MQ 分发的方式。但如果你的数据库实体量非常大，用这种方式就要考虑程序的复杂性了。
使用 Binlog 同步
针对 MySQL，就可以采用 Binlog 的方式进行同步，使用 Canal 组件，可持续获取最新的 Binlog 数据，结合 MQ，可以将数据同步到其他的数据源中。
思维发散
对于结果集的操作，我们可以再发散一下思维。可以将一个简单冗余的结果集，改造成复杂高效的数据结构。这个复杂的数据结构可以代理我们的请求，有效地转移耗时操作。
比如，我们常用的数据库索引，就是一种对数据的重新组织、加速。B+ tree 可以有效地减少数据库与磁盘交互的次数，它通过类似 B+ tree 的数据结构，将最常用的数据进行索引，存储在有限的存储空间中。
还有就是，在 RPC 中常用的序列化。有的服务是采用的 SOAP 协议的 WebService，它是基于 XML 的一种协议，内容大传输慢，效率低下。现在的 Web 服务中，大多数是使用 json 数据进行交互的，json 的效率相比 SOAP 就更高一些。
另外，大家应该都听过 google 的 protobuf，由于它是二进制协议，而且对数据进行了压缩，性能是非常优越的。protobuf 对数据压缩后，大小只有 json 的 1/10，xml 的 1/20，但是性能却提高了 5-100 倍。
protobuf 的设计是值得借鉴的，它通过 tag|leng|value 三段对数据进行了非常紧凑的处理，解析和传输速度都特别快。
小结
最后总结一下本文的内容重点：
首先，我们看了比较老的 JDK 版本中，String 为了复用引起的内容泄漏问题，所以我们平常的编码中，一定要注意大对象的回收，及时切断与它的联系。
接下来，我们看了 Java 中集合的一些扩容操作，如果你知道确切的集合大小，就可以指定一个初始值，避免耗时的扩容操作。
针对大对象，我们有结构纬度的优化和时间维度的优化两种方法：
从结构纬度来说，通过把对象切分成合适的粒度，可以把操作集中在小数据结构上，减少时间处理成本；通过把对象进行压缩、转换，或者提取热点数据，就可以避免大对象的存储和传输成本。
从时间纬度来说，就可以通过冷热分离的手段，将常用的数据存放在高速设备中，减少数据处理的集合，加快处理速度。
到现在为止，我们学习了缓冲、缓存、对象池化、结果缓存池、大对象处理等优化性能的手段，由于它们都加入了额外的中间层，会使得编程模型变得复杂。
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