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introduzione

La Java Virtual Machine (JVM) è il componente principale della piattaforma Java, che consente l'esecuzione dei programmi Java su più piattaforme. La JVM non è solo responsabile dell'esecuzione del bytecode Java, ma gestisce anche attività chiave come l'allocazione della memoria e la raccolta dei rifiuti. Una profonda comprensione di come funziona la JVM è essenziale per un'ottimizzazione efficace delle prestazioni. Questo articolo introdurrà in dettaglio il principio di funzionamento di JVM, incluso il modello di memoria, il meccanismo di garbage collection e condividerà alcune tecniche pratiche di ottimizzazione delle prestazioni di JVM.

Come funziona la JVM

1. Architettura JVM

JVM è composta principalmente dalle seguenti parti:

• ClassLoader: Responsabile del caricamento dei file di classe Java nella JVM.
• Area dati di runtime: Inclusi area del metodo, heap, contatore del programma, stack della macchina virtuale e stack del metodo locale.
• Motore di esecuzione: Responsabile dell'esecuzione delle istruzioni del bytecode.
• Interfaccia nativa: consente al codice Java di interagire con programmi scritti in altri linguaggi.

2. Modello di memoria

Il modello di memoria JVM è suddiviso principalmente nelle seguenti aree:

• Area Metodo: Memorizza informazioni sulla classe, costanti, variabili statiche, ecc. che sono state caricate dalla macchina virtuale.
• Mucchio: Memorizza istanze e array di oggetti. È l'area dei dati di runtime della JVM e l'area principale per la garbage collection.
• Contatore di programma: indicatore del numero di riga del bytecode eseguito dal thread corrente.
• Stack di macchine virtuali: quando viene eseguito ciascun metodo, verrà creato uno stack frame per archiviare informazioni quali variabili locali, stack di operazioni e collegamenti dinamici.
• Stack di metodi nativi: utilizzato per supportare l'esecuzione di metodi locali.

3. Meccanismo di raccolta dei rifiuti

Il meccanismo di garbage collection della JVM è principalmente responsabile del riciclaggio degli oggetti che non vengono più utilizzati e del rilascio di spazio di memoria. La raccolta dei rifiuti si articola principalmente nelle seguenti fasi:

• Marcatura: identifica quali oggetti sono raggiungibili, ovvero esistono ancora oggetti a cui si fa riferimento.
• Spazzare: Recupera lo spazio di memoria occupato da tutti gli oggetti irraggiungibili.
• Compattazione: sposta gli oggetti sopravvissuti per ridurre la frammentazione della memoria.

Suggerimenti per l'ottimizzazione delle prestazioni JVM

1. Scegli il giusto garbage collector

La JVM fornisce una varietà di garbage collector, tra cui:

• G.C. seriale: Adatto per piccole applicazioni.
• Garbage Collector parallelo (GC parallelo): Adatto a server multi-core per migliorare il throughput.
• Garbage Collector CMS (Concurrent Mark Sweep).: Riduci al minimo il tempo di pausa, adatto per applicazioni interattive.
• Garbage Collector G1 (Garbage-First).: Adatto per grandi quantità di memoria, fornendo tempi di pausa prevedibili.

La scelta di un garbage collector appropriato in base alle caratteristiche dell'applicazione è il primo passo nell'ottimizzazione delle prestazioni.

2. Regolare la dimensione della memoria heap

L'impostazione corretta della dimensione della memoria heap può migliorare l'efficienza della raccolta dei rifiuti. In genere, la memoria heap può essere ottimizzata tramite i seguenti parametri:

• -Scrivici: imposta la dimensione della memoria heap iniziale.
• -Xmx: imposta la dimensione massima della memoria heap.

3. Ottimizza la strategia di raccolta dei rifiuti

• Scegli la giusta strategia di raccolta dei rifiuti: ad esempio, è possibile utilizzare la raccolta parallela per le giovani generazioni e la raccolta CMS o G1 per la vecchia generazione.
• Regola la frequenza della raccolta dei rifiuti: ridurre la frequenza della garbage collection impostando una dimensione di memoria heap ragionevole e selezionando un garbage collector appropriato.

4. Utilizzare gli strumenti di monitoraggio delle prestazioni JVM

JVM fornisce una varietà di strumenti di monitoraggio delle prestazioni, come:

• console j: Utilizzato per monitorare lo stato di funzionamento della JVM.
• jvisualvm: Fornisce un'analisi più dettagliata delle prestazioni della JVM.
• jstat: utilizzato per raccogliere dati sulle prestazioni della JVM.

Attraverso questi strumenti, lo stato di funzionamento della JVM può essere monitorato in tempo reale e i colli di bottiglia delle prestazioni possono essere scoperti in modo tempestivo.

5. Ottimizzazione a livello di codice

• Riduci la creazione di oggetti non necessari: evitare di creare oggetti in loop e provare a riutilizzare gli oggetti.
• Usa oggetti leggeri: Ad esempio, utilizzareArrayListsostituireLinkedListPuò ridurre l'utilizzo della memoria.
• Ottimizza la struttura dei dati: La scelta della struttura dati appropriata può migliorare l'efficienza di esecuzione del programma.

6. Ottimizzazione delle prestazioni della concorrenza

• Utilizzo corretto dei pool di thread: evitare di creare troppi thread e utilizzare pool di thread per riutilizzare i thread.
• Ridurre l'utilizzo del blocco: i blocchi riducono le prestazioni della concorrenza e possono essere ottimizzati utilizzando strutture di dati prive di blocchi o riducendo la granularità dei blocchi.

7. Rilevamento ed elaborazione delle perdite di memoria

• Controllare regolarmente eventuali perdite di memoria: utilizzare strumenti come VisualVM per verificare regolarmente eventuali perdite di memoria.
• Rilasciare tempestivamente le risorse: Garantire che gli oggetti non più utilizzati possano essere raccolti in tempo.

Caso pratico: ottimizzazione delle prestazioni della JVM

descrizione della scena

Supponiamo di avere una piattaforma di shopping online. Gli utenti segnalano che la pagina si carica lentamente durante le ore di punta. Dopo un'analisi preliminare, si sospetta che si tratti di un problema di prestazioni della JVM.

Passaggi di ottimizzazione

1. Monitorare le prestazioni della JVM: utilizzare jconsole per monitorare l'utilizzo della CPU, l'utilizzo della memoria e la frequenza di garbage collection della JVM.

2. Analizzare l'utilizzo della memoria heap: analizza l'utilizzo della memoria heap tramite jvisualvm e scopri che l'utilizzo della vecchia generazione è troppo elevato.

3. Regola la dimensione della memoria heap: Aumenta la memoria heap iniziale da 512 MB a 1024 MB e la memoria heap massima da 1024 MB a 2048 MB.

4. Sostituisci il garbage collector: modifica il garbage collector dal Parallel GC predefinito a G1 GC per ridurre i tempi di pausa.

5. Ottimizza il codice: controlla il codice e scopri che ci sono alcune creazioni di oggetti e risorse non necessarie che non vengono rilasciate in tempo e ottimizzale.

6. Ottimizzazione della concorrenza: ottimizza l'utilizzo dei thread, riduce la concorrenza tra blocchi e migliora le prestazioni della concorrenza.

7. Monitorare di nuovo: dopo l'ottimizzazione, utilizzare nuovamente jconsole per monitorare le prestazioni della JVM e scoprire che l'utilizzo della CPU e della memoria sono stati migliorati e la frequenza della raccolta dei rifiuti è stata ridotta.

Risultati dell'ottimizzazione

Dopo le fasi di ottimizzazione di cui sopra, la velocità di caricamento delle pagine della piattaforma di shopping online durante le ore di punta è stata notevolmente migliorata e il feedback degli utenti è stato buono.

Insomma

L'ottimizzazione delle prestazioni della JVM è un processo complesso che richiede una considerazione completa della selezione del garbage collector, della regolazione della memoria heap, dell'ottimizzazione del codice e di altri aspetti. Utilizzando correttamente gli strumenti di monitoraggio delle prestazioni JVM e adottando misure di ottimizzazione efficaci, le prestazioni delle applicazioni Java possono essere notevolmente migliorate.

Tempo delle domande

1. chiedere: Come determinare la dimensione della memoria heap di JVM? risposta : la determinazione della dimensione della memoria heap della JVM deve essere considerata in modo globale in base ai requisiti di memoria dell'applicazione e alla memoria fisica del server. In genere, è possibile osservare l'utilizzo della memoria dell'applicazione tramite strumenti di monitoraggio e regolare gradualmente la dimensione della memoria heap fino a trovare una configurazione adatta.

2. chiedere: Perché è necessario sostituire il garbage collector? risposta : diversi Garbage Collector hanno caratteristiche prestazionali e scenari applicabili diversi. Il Garbage Collector viene sostituito per adattarsi meglio alle esigenze dell'applicazione, ad esempio per ridurre i tempi di pausa o aumentare il throughput.

3. chiedere: Come rilevare le perdite di memoria? risposta : le perdite di memoria possono essere rilevate tramite gli strumenti di monitoraggio delle prestazioni forniti dalla JVM, come VisualVM. Monitorando l'utilizzo della memoria heap, se si rileva che l'utilizzo della memoria di alcuni oggetti continua a crescere e non è possibile effettuare la garbage collection, potrebbe essersi verificata una perdita di memoria.

4. chiedere: A cosa dovremmo prestare attenzione quando ottimizziamo le prestazioni simultanee? risposta : l'ottimizzazione delle prestazioni della concorrenza richiede attenzione all'uso razionale delle risorse dei thread ed evita di creare troppi thread. Allo stesso tempo, anche la riduzione dell’uso dei blocchi e l’ottimizzazione della granularità dei blocchi sono fondamentali per migliorare le prestazioni della concorrenza.

Attraverso una comprensione approfondita dei principi di funzionamento della JVM e la padronanza delle tecniche di ottimizzazione delle prestazioni, gli sviluppatori possono ottimizzare in modo più efficace le prestazioni delle applicazioni Java e migliorare l'esperienza dell'utente.