Java是如何实现高性能的？

萌萌的老顽童

今天，从欧洲到澳大利亚，乘坐澳航的直达航班大约需要16个小时--这在100年前需要一个多月的旅程。如今，速度就是一切，这一原则也适用于软件开发。在动态的本地和网络应用的存在下，没有用户会等待内容的加载。这给软件开发者带来了真正的挑战。那么，在开发高性能软件时，为什么要从几十种流行的选择中选择Java编程语言？在今天的文章中，我们将尝试回答这个问题。我们将重点讨论使Java成为低延迟和高吞吐量系统的完美选择的各个方面。
内容

• Java虚拟机--Java性能的基础
  
• 是什么使Java成为高性能系统的完美语言
  

• 编译和解释
  
• 平台独立
  
• JIT - 即时编译器
  
• 多线程能力
  
• 垃圾收集
  

Java虚拟机--Java性能的基础

Java性能的核心是Java虚拟机，简称JVM。
JVM有两个主要功能：允许Java程序在任何操作系统或设备上运行（根据著名的 "写一次，在任何地方运行 "原则），并优化和主动管理程序内存。


　　我们可以区分JVM的两个定义。
1. Java虚拟机是软件程序执行其代码的运行环境。
2. Java虚拟机是Java程序的运行方式。我们配置好设置，然后在执行过程中依靠JVM来管理程序资源。
JVM中有很多元素，每一个元素都对软件的性能有着深刻的影响。我们可以区分出对性能有影响的JVM的三个不同组件，开发人员可以对它们进行调整。
类加载器--当编译一个.java源文件时，它以.class文件的形式被转换为字节码。当你想在你的程序中使用这个类文件时，它必须由类加载器加载到主程序内存中。这个过程包括3个阶段，加载、链接和初始化，所有这些都对应用程序的性能有深刻的影响。
运行时内存/数据区 - 由5个核心部分组成，它负责提供内存来存储字节码、参数、对象、返回值和局部变量。
执行引擎 - 它负责执行每个类中存在的代码。然而，在执行程序之前，字节码本身需要被转换为JVM能够理解的指令。为了实现这一点，JVM可以使用解释器或JIT编译器，我们将在下面详细介绍。


　　JVM是实现真正的Java性能的一个关键工具。有经验的开发者可以通过调整Java虚拟机的默认参数来微调它，以更好地满足应用程序的需求。这个过程可以包括调整堆的大小，并选择合适的垃圾收集器。
作为一般的经验法则，在调整JVM时，你应该首先关注内存使用要求，然后是延迟，最后是应用程序的吞吐量。
是什么让Java成为高性能系统的完美语言

好了，我们已经确定JVM是实现Java性能的一个关键工具。那么，使Java成为构建高性能软件应用程序的完美编程语言的其他方面、特点和功能呢？
这里有五个关键点。
1.编译和解释
编程语言通常可以是编译的（C、C++、Haskell、Erlang或Rust）或解释的（PHP、Python、Ruby和JavaScript）。
在这方面，Java是一种万能的语言，因为它结合了编译语言的力量和解释语言的显著灵活性。
正如我们之前在介绍Java虚拟机时提到的，Java编译器（javac）将java源代码编译成字节码，然后可以在所有装有JVM的机器上执行。
这张图更好地展示了这个过程。


2.平台的独立性
JVM赋予了Java最大的优势--平台独立性。
Java虚拟机几乎可以安装在所有可用的操作系统上，从Windows，到Mac和Linux。平台独立性允许在任何机器上编译和执行代码，并确保结果相同。
在这种情况下，字节码是实现完全平台独立性的关键，也值得解释一下字节码到底是什么，因为我们在本文中已经提到过几次。
Java字节码只是一个包含JVM指令的程序。它的工作原理类似于汇编器，是C++代码的一种表示。就其本身而言，它是一种二进制格式的代码，由常量、引用和数字代码组成，可由机器的硬件读取和执行。
这里有一张图，解释了Java字节码是如何实现平台独立的。


3.JIT - 及时编译器
说到编译，这里是Java的另一张王牌--即时编译器（JIT)编译器）。将字节码转换为本地机器语言执行的方式对它的速度有很大影响。JIT编译器与Java虚拟机（JVM）互动，将Java字节码序列变成本地机器代码。
重要的是，JIT编译器是按需编译代码的。这意味着，它只编译正在被调用的方法。这大大提高了整体效率，节省了时间。
在使用JIT编译器时，计算机硬件能够直接执行本地代码，而不是让JVM一次又一次地解释同一序列的字节码。如果编译后的方法被频繁地执行，这可能会导致大量的性能提升。
更重要的是，JIT编译器在编译为本地机器语言的同时，还能进行很多简单的优化。其中一些优化包括数据分析、从堆栈操作到寄存器操作的转换、通过寄存器分配减少内存访问，以及消除常见的子表达式。
4.多线程能力
Java是一种能够在语言层面上实现多线程的技术。多线程允许程序在多个计算核心和线程上执行并发的计算。更重要的是，多线程应用程序可以保持对输入的响应，即使是在执行长期运行的任务时。
多线程现在比以往任何时候都更重要，特别是当硬件公司正在发布越来越强大的企业级CPU，如新披露的Zen 4 Epyc处理器，提供令人震惊的192个计算线程。
区分多线程和多处理也很关键。第一个术语指的是在多个CPU线程上并发执行计算的能力。另一方面，后者指的是一个系统同时运行多个处理器的能力，其中每个处理器可以操作多个线程。
一般来说，多线程是首选，因为CPU线程使用一个共享的内存区域，这有助于节省内存，并允许稍快的内容切换。
5.垃圾收集
最后但并非最不重要的是，我们必须涵盖Java的垃圾收集。简而言之，它是Java程序进行自动内存管理的过程。当Java程序在JVM上运行时，对象在堆上被创建，但最终，其中一些对象将不再被需要。
垃圾收集器会自动检测这些未使用的对象并将其删除，在此过程中释放出宝贵的内存资源。
在Java中执行垃圾收集过程有三个阶段。

• 检查是否符合条件
  

如果一个对象无法到达，就有资格进行垃圾收集（GC）。我们可以区分四种使Java对象符合垃圾收集条件的主要方式。
重新分配指针变量

Employee employeeOne = new Employee();
Employee employeeTwo = new Employee();
employeeOne = employeeTwo; // the first object referred by employeeOne is available for garbage collection

删除指针变量

Employee employee = new Employee();
employee = null;

使用匿名对象

register(new Employee());

隔离岛（一组相互引用的对象，但不被应用程序中的任何活动对象所引用）。

• 请求JVM运行垃圾收集器
  

请求JVM运行垃圾收集器可以通过两种主要方式设置。

• 使用System.gc()方法 - System类包含静态方法gc()，用于请求JVM运行垃圾收集器。
  
• 使用Runtime.getRuntime().gc()方法--Runtime类允许应用程序与运行该应用程序的JVM接口。通过使用其gc()方法，我们可以请求JVM运行GC。
  
• 最终化
  

在删除一个对象之前，垃圾收集器对该对象使用finalize()方法来执行最后的清理活动。一旦finalize()方法完成，Garbage Collector就会删除该对象。
Java是如何实现高性能的 - 总结

Java实现了高性能的软件开发，这是其他编程语言无法做到的。所有的开发人员都应该确保他们正在开发的Java程序能够充分发挥其能力，并正确利用这种奇妙的编程语言所提供的所有工具。

人都麻了

在撸一遍。。。