探寻性能优化：如何衡量？如何决策？

干货分享，感谢您的阅读！

性能优化，看似简单，实则复杂。就像选择一辆汽车一样，你想要的不仅仅是动力强劲，还要兼顾燃油经济性、操控稳定性等一系列指标。而在优化系统性能时，我们也需要综合考虑各种衡量指标，才能做出明智的决策。

一、衡量指标说明

对于每个系统来说，评价性能的指标可能会有所不同。就像每辆车都有不同的性能指标一样：

• 一些系统可能更注重于低延迟和高吞吐量，例如金融交易系统或实时数据处理系统；
• 另一些系统可能更关注资源利用率和可伸缩性，例如大型网络服务或云计算平台。

在考虑性能优化时，我们需要结合具体的应用场景和技术栈，选择适合的评价指标。然而，一般情况下，我们仍然可以找到一些共同的衡量指标来评估系统的性能：

1. 响应时间（Response Time）：就像是我们等待服务员上菜的时间，是用户感受到的系统反馈速度。较短的响应时间意味着更快的用户体验，而长时间的响应则可能会导致用户流失。这里提一下秒开率（Time to First Byte，TTFB）：指从用户发出请求到接收到第一个字节的时间。其是响应时间的一个子集，更加关注于用户发起请求后服务器响应的速度，而响应时间则更全面地考虑了整个请求-响应过程所花费的时间。在性能优化中，我们通常会同时关注这两个指标，以确保用户能够快速地访问到所需的内容。
2. 吞吐量（Throughput）：吞吐量指的是系统在单位时间内能够处理的请求或事务数量，提高吞吐量意味着系统能够更高效地处理大量请求，从而提升系统的整体性能。
3. 资源利用率（Resource Utilization）：就像我们关注汽车的燃油经济性一样，我们需要确保应用高效利用系统资源，包括CPU、内存、数据库连接等。优化资源利用率可以提高系统的性能，并降低运行成本。
4. 并发处理能力（Concurrency）：当谈及并发处理能力时，我们指的是系统在同一时间能够有效地处理多个并发请求的能力。在高并发的情况下，可能有数以千计甚至更多的用户同时向系统发送请求。系统的并发处理能力决定了它能够同时服务多少个这样的请求，而不会因此导致性能下降或系统崩溃。
5. 稳定性（Stability）：稳定性是一个综合性的指标，它反映了系统在长时间运行中的健壮性、可靠性和可维护性。一个稳定的系统能够保证服务的连续性和可用性，提高用户体验，并降低业务风险。

需要综合考虑以上指标，找到系统的瓶颈和优化空间，从而提升系统的性能和稳定性。这个过程中必然需要通过合理的性能测试、代码优化和系统调优来验证最佳性能。

（一）响应时间（Response Time）

响应时间是衡量系统性能的重要指标之一，常见的可能有平均响应时间、百分位数响应时间、最大响应时间、最小响应时间和标准差等，但一般来说我们主要关心的还是前两项：

平均响应时间（Average Response Time）

平均响应时间（Average Response Time）是指系统处理所有请求所花费的总时间除以请求总数，得到的平均值。

假设你正在使用一个电商网站，当你点击商品页面时，网站需要加载商品信息、图片、评价等内容。这个过程中涉及到服务器响应、数据传输、浏览器渲染等步骤，而平均响应时间就是衡量这个过程中总体性能的指标之一。假设这个电商网站的平均响应时间是 3 秒。这意味着从你点击商品页面到页面完全加载出来平均需要 3 秒的时间。如果平均响应时间过长，可能会导致用户体验不佳，因为用户需要等待很长时间才能看到页面内容，从而可能选择离开网站或转向竞争对手。

百分位数响应时间（Percentile Response Time）

圈定一个时间范围，把每次请求的耗时加入一个列表中，然后按照从小到大的顺序将这些时间进行排序。这样取出特定百分位的耗时就是 TP 值，它的意义是超过 N% 的请求都在 X 时间内返回。如 TP90 = 50ms，意思是超过 90th 的请求，都在 50ms 内返回。

假设我们正在管理一个在线支付平台，用户在进行支付操作时，系统需要处理大量的交易请求。为了评估系统的性能，我们记录了每次支付请求的响应时间，并按照从小到大的顺序进行排序。接下来，我们可以使用百分位数来更详细地分析这些数据：

• TP50（中位数）：TP50 表示有 50% 的支付请求的响应时间低于或等于这个值。换句话说，这是支付请求的中间值，即有一半的支付请求在这个时间之内完成了。
• TP90：TP90 表示有 90% 的支付请求的响应时间低于或等于这个值。这个指标对于我们了解绝大多数支付请求的响应情况至关重要。比如，如果 TP90 为 2 秒，那么 90% 的支付请求都在 2 秒内完成，这意味着绝大多数用户能够快速完成支付操作。
• TP95、TP99、TP99.9 等：类似地，TP95 表示有 95% 的支付请求的响应时间低于或等于这个值，以此类推。这些高百分位的指标更加严格，要求系统在处理极端情况下的响应能力。

在高稳定性系统中，我们特别关注高百分位数的响应时间。通过监控和分析这些数据，我们可以发现系统中存在的长尾请求，即处理时间较长的特殊情况。针对这些长尾请求，我们可能需要采取一些优化措施，以提高系统的稳定性和性能。

（二）吞吐量（Throughput）

一般来说，吞吐量是指在单位时间内系统或网络能够处理或传输的数据量或事务数量。在计算机领域，吞吐量通常用于衡量系统、网络或应用程序的处理能力和效率。具体而言，吞吐量的定义包括以下几个方面：

1. 系统吞吐量：指系统在单位时间内能够处理的请求或事务数量。例如，一个Web服务器的吞吐量可以是每秒处理的HTTP请求数量，一个数据库系统的吞吐量可以是每秒执行的查询数量。
2. 网络吞吐量：指网络连接在单位时间内能够传输的数据量。例如，一个网络设备的吞吐量可以是每秒传输的数据量，通常以比特每秒（bps）或字节每秒（Bps）来衡量。
3. 业务吞吐量：指业务流程中完成的交易或操作数量。例如，在零售行业，吞吐量可以是每小时完成的交易数量，而在制造业，吞吐量可以是每天生产的产品数量。

综合来看，吞吐量是一个通用的概念，可以应用于不同的领域和场景。它通常用于衡量系统、网络或业务流程在单位时间内的处理能力和效率，是评估性能和优化资源分配的重要指标之一。

（三）资源利用率（Resource Utilization）

资源利用率（Resource Utilization）是指系统或设备在执行任务时所使用的资源的程度，通常用于衡量资源的有效利用程度。资源可以包括 CPU、内存、存储、网络带宽等。理解和分析资源利用率对于评估系统的性能和健康状态至关重要。

监控和度量手段

了解系统中各种资源的实时使用情况是理解资源利用率的第一步。通过监控工具和指标，可以收集并分析CPU、内存、磁盘、网络等资源的使用情况，以及系统负载、响应时间等相关指标。这些数据可以帮助识别系统中存在的瓶颈和性能问题，并及时采取相应的优化措施。

比较和基准测试进行优化分析

将当前资源利用率与过去的数据进行比较，或者与行业标准或最佳实践进行对比，可以帮助评估系统的性能和效率。通过基准测试，可以确定系统的性能瓶颈，并找到优化的方向。

根据资源利用率的分析结果，采取相应的优化和调整措施，以提高系统的资源利用率和性能。这可能包括优化代码、调整系统配置、增加硬件资源、使用缓存技术等。

预测和规划资源

通过分析历史数据和趋势，可以预测未来系统的资源需求，并进行相应的规划，避免资源瓶颈和性能问题，并确保系统能够满足未来的需求。

资源利用率通常不是单一指标，而是多个指标的综合反映。因此，在分析资源利用率时，需要综合考虑CPU、内存、磁盘、网络等多个方面的数据，以全面评估系统的性能和资源利用率。

（四）并发处理能力（Concurrency）

当谈及并发处理能力时，我们指的是系统在同一时间能够有效地处理多个并发请求的能力。在高并发的情况下，可能有数以千计甚至更多的用户同时向系统发送请求。系统的并发处理能力决定了它能够同时服务多少个这样的请求，而不会因此导致性能下降或系统崩溃。

并发量

了解系统在不同负载下的并发量是评估并发处理能力的重要指标，可以通过监控并发请求的数量和频率，可以评估系统在高负载情况下的表现，并根据需要进行优化。

假设有个在线电商平台，开始观察系统的请求/秒（Requests per Second）指标发现在高峰时段系统请求达到了平均每秒1000个请求，系统的并发连接数达到了平均100个连接，假设每个连接代表一个用户正在与系统进行交互，那么系统的并发量就是并发连接数。因此，在高峰时段，系统的并发量大约是100个。

并发模型

了解系统或应用程序的并发模型是理解并发处理能力的基础。常见的并发模型包括多线程、事件驱动、异步编程等。通过选择合适的并发模型，可以最大程度地发挥系统的并发处理能力。

并发控制和性能优化

并发控制是确保系统在并发情况下正确、安全地执行的关键。包括锁、信号量、互斥量等并发控制机制的设计和实现。通过合理设计并发控制机制，可以防止数据竞争、死锁等并发问题，提高系统的并发处理能力和稳定性。

通过优化算法、数据结构、并发模型等方面，可以提高系统的并发处理能力。例如，使用无锁数据结构、异步编程模型等技术可以提高系统的并发性能和吞吐量。

（五）稳定性（Stability）

稳定性是衡量系统在长时间运行中保持稳定性能的能力。一个稳定的系统应该能够持续地提供良好的服务，不受外部或内部因素的干扰而出现故障或性能下降。

可靠性（Reliability）

系统应该能够在长时间运行中保持稳定的性能，不会因为软件bug、硬件故障或其他意外情况而导致系统崩溃或服务中断。可靠性是稳定性的基础，它要求系统能够预防、检测和恢复从错误或故障中。

容错性（Fault Tolerance）

系统应该能够在部分组件或资源发生故障时继续运行，而不会完全停止服务。容错性意味着系统具有自我修复的能力，能够在故障发生时自动切换到备用组件或资源，保证服务的连续性。

可恢复性（Recoverability）

当系统出现故障或性能下降时，应该能够快速地恢复到正常工作状态。可恢复性包括及时诊断问题、快速修复错误以及恢复丢失的数据等方面。

可扩展性（Scalability）

虽然可扩展性通常被视为性能指标，但也与稳定性密切相关。一个稳定的系统应该能够在负载增加时自动扩展，而不会因此导致性能下降或系统崩溃。

二、性能优化决策

性能优化可分为业务优化和技术优化两类。

• 业务优化：业务优化通常涉及产品和管理方面的决策，旨在优化业务流程、用户体验和市场竞争力。这包括市场调研、产品定位、用户反馈分析、营销策略等方面。例如，通过改进产品设计、简化购买流程、提高客户服务质量等方式来提升用户满意度和市场份额。虽然业务优化不直接涉及技术实现，但它的效果对整个系统的性能和成功至关重要。
• 技术优化：技术优化是程序员在日常工作中主要面对的优化方式，涉及到系统架构、代码实现、性能调优等方面。技术优化通过一系列的技术手段来改进系统的性能、可靠性和可扩展性，以更好地满足业务需求。这包括算法优化、数据结构优化、并发处理优化、内存管理优化、I/O优化等方面。

作为程序员，我们通常更专注于技术优化，通过一系列技术手段改进系统性能、可靠性和可扩展性。虽然业务优化和技术优化有所不同，但它们通常是相辅相成的。后续我们主要讨论的方向将回落到性能优化的相关决策上来，具体优化手段如下：

（一）复用优化

复用优化是一种重要的编程思想，它可以提高代码的可维护性、可扩展性和可重用性。通过将重复的代码或功能提取出来，做成公共的方法或组件，在不同的地方重复使用，可以减少代码冗余，提高代码的复用率，同时也减少了维护成本和代码的bug率。

优化方向1：代码复用

将重复的代码片段提取出来，封装成函数、方法或组件，供多处调用。这样可以减少代码量，提高代码的可读性和可维护性。

优化方向2：数据复用

对于经常使用的数据，可以将其缓存起来，供后续使用。这样可以减少数据的重复读取，提高数据访问的效率。

优化方向3：对象复用

对于资源消耗较大的对象，可以采用对象池等技术进行复用。例如，数据库连接池、线程池等，可以减少对象的创建和销毁次数，提高系统的性能和稳定性。

优化方向4：模块复用

将常用的功能模块或组件抽象成库或框架，供不同的项目或团队共享使用。这样可以提高开发效率，避免重复开发相似的功能。

（二）JVM 优化

JVM优化可以通过调整JVM参数、优化垃圾收集器、内存管理、类加载器等方式来提高Java应用程序的性能和内存利用率。此处可以参考的文章如下：

CMS垃圾回收器介绍与优化分析案列整理总结_cms 对老年代的回收做了哪些优化设计-CSDN博客文章浏览阅读10w+次，点赞14次，收藏66次。CMS垃圾回收器介绍与优化分析案列整理总结：CMS基本介绍+CMS回收过程讲解+实际案例分析（基本内存参数设置分析+优化目标分析+GC优化案例）案例一 Major GC和Minor GC频繁+案例二 请求高峰期发生GC，导致服务可用性下降_cms 对老年代的回收做了哪些优化设计https://zyfcodes.blog.csdn.net/article/details/105358094Java回收垃圾的基本过程与常用算法_java垃圾回收过程-CSDN博客文章浏览阅读1.5w次，点赞8次，收藏14次。Java 垃圾回收的基本过程可以分为以下三个步骤：垃圾分类、垃圾查找和垃圾清理，我们可以展开分析，并详细讲下垃圾算法的基本内容_java垃圾回收过程https://zyfcodes.blog.csdn.net/article/details/130456197Java Hotspot G1 GC的理解总结_java g1-CSDN博客文章浏览阅读10w+次，点赞16次，收藏18次。G1垃圾回收原理和回收过程分析，并给出适用场景和应用建议参考文献、书籍及链接1.https://tech.meituan.com/2016/09/23/g1.html2.书_java g1https://zyfcodes.blog.csdn.net/article/details/106081590垃圾回收器ZGC应用分析总结-CSDN博客文章浏览阅读10w+次，点赞106次，收藏824次。主要总结ZGC关键技术与垃圾回收原理，并总结ZGC调优案例实践，以及业务升级JDK11与应用ZGC注意事项_zgchttps://zyfcodes.blog.csdn.net/article/details/105360860

优化方向1：调整JVM参数

JVM提供了许多参数可以调整，如堆大小、线程栈大小、垃圾收集器类型等。通过调整这些参数，可以根据应用程序的特性和需求来优化JVM的性能和内存利用率。例如，通过增大堆大小可以减少频繁的垃圾回收，提高应用程序的性能；通过调整垃圾收集器类型和参数可以减少停顿时间，提高应用程序的响应速度。

优化方向2：垃圾收集器

垃圾收集器是JVM中的重要组成部分，影响着应用程序的性能和内存利用率。通过选择合适的垃圾收集器类型和调整相应的参数，可以提高垃圾收集的效率和性能。例如，对于大内存应用程序可以选择并行垃圾收集器（Parallel GC）或者G1垃圾收集器，而对于低延迟要求较高的应用程序可以选择CMS垃圾收集器。

优化方向3：内存管理优化

合理管理内存资源对于JVM的性能和稳定性至关重要。通过减少内存泄漏、优化对象的创建和销毁等方式，可以降低内存消耗，提高内存利用率。例如，及时释放不再使用的对象、使用对象池来复用对象等。

优化方向4：类加载优化

类加载是JVM启动和运行的重要环节，影响着应用程序的性能和启动速度。通过优化类加载器的加载过程和加载策略，可以减少类加载时间，提高应用程序的启动速度。例如，使用预加载机制或者类缓存来提前加载和缓存需要使用的类。

通过性能分析工具和技术，对应用程序进行性能分析和调优，发现和解决性能瓶颈。例如，使用JVisualVM、JProfiler等工具对应用程序进行性能监控和分析，找出性能瓶颈并进行相应的优化。

（三）算法优化

算法优化是指对算法进行改进和调整，以提高其执行效率和性能。在软件开发中，算法的选择和优化对系统的性能和用户体验有着直接的影响。这边直观感受比较经典的案例如下：

用斐波那契数列感受算法的神奇（21亿耗时0.02毫秒）-CSDN博客文章浏览阅读2.6k次，点赞31次，收藏33次。用斐波那契数列感受算法的神奇（21亿耗时0.2毫秒）：在实际应用中，结合快速幂的矩阵解法确实是计算斐波那契数列的最优解之一，尤其是对于大数值的情况。然而，并不是所有情况下都适合使用这种方法。https://blog.csdn.net/xiaofeng10330111/article/details/138143503?spm=1001.2014.3001.5501

优化方向1：时间复杂度优化

通过分析算法的时间复杂度，找出其中耗时较长的部分，并尝试优化这些部分的算法实现。常见的优化手段包括改进算法逻辑、减少循环次数、避免不必要的计算等。

优化方向2：空间复杂度优化

通过分析算法的空间复杂度，找出其中占用内存较多的部分，并尝试优化这些部分的内存使用。常见的优化手段包括减少临时变量的使用、优化数据结构的设计、使用压缩算法等。

优化方向3：数据结构优化

数据结构是算法的基础，优化数据结构的设计和实现可以提高算法的执行效率和性能。通过选择合适的数据结构和算法，可以降低算法的时间复杂度和空间复杂度。常见的优化手段包括使用哈希表、二叉树、堆、图等高效的数据结构，以及优化数据结构的存储和访问方式。

优化方向4：并行化和分布式处理

对于需要处理大规模数据或复杂计算的算法，可以考虑采用并行化和分布式处理的方式来优化算法的执行效率。通过将任务分解成多个子任务，并行执行或分布式处理，可以提高算法的执行速度和吞吐量。常见的优化手段包括使用多线程、分布式计算框架等。

优化方向5：负载均衡和任务调度

在分布式系统中，负载均衡和任务调度是优化算法性能的关键。通过合理设计负载均衡策略和任务调度算法，可以确保系统资源的有效利用，避免资源瓶颈和任务堆积，提高系统的响应速度和稳定性。常见的优化手段包括基于权重的负载均衡、动态调整任务分配策略等。

（四）高效实现

高效实现是提高软件系统性能和响应速度的关键之一，通过选择合适的组件和工具，避免使用性能低下的技术和组件，应用适配器模式进行组件替换，以及定期进行性能分析和优化，可以有效提高系统的性能和效率，满足用户的需求和期望。

选择合适的组件和工具

在编程过程中，应根据实际需求和性能要求选择合适的组件和工具。例如，对于网络通信模块，可以选择性能更好、功能更丰富的Netty而不是Mina；对于数据存储和处理，可以选择高性能的数据库或缓存组件；对于任务调度和并发处理，可以选择高效的线程池或并发框架等。选择合适的组件和工具可以提高系统的性能和稳定性。

避免使用性能低下的技术和组件

在设计系统时，应避免使用性能低下的技术和组件，以免影响系统的性能和响应速度。例如，对于网络通信，应避免使用耗时的SOAP协议，而选择更高效的RESTful或gRPC协议；对于数据处理，应避免使用性能低下的正则表达式，而选择更高效的语法分析器等。

适配器模式的应用

适配器模式是一种常用的设计模式，可以将不同接口或组件之间的兼容性问题进行解耦，从而提高系统的灵活性和可扩展性。通过使用适配器模式，可以在不改变上层应用逻辑的情况下，替换底层的组件或技术，从而提高系统的性能和效率。

定期进行性能分析和优化

在系统运行过程中，应定期进行性能分析和优化，发现系统的瓶颈点和性能问题，并采取相应的措施进行优化。通过使用性能分析工具和技术，可以找出系统的瓶颈点，并针对性地进行优化。例如，通过优化关键组件或算法的实现，减少资源消耗或提高执行效率，可以有效提高系统的性能和响应速度。

（五）结果集优化

对结果集的优化可以通过选择合适的数据格式、精简数据返回、批量处理和缓存、数据集合处理优化、压缩和解压缩等方式来提高系统性能和响应速度，降低网络传输成本，从而更好地满足用户的需求和期望。

数据格式选择

选择合适的数据格式可以显著影响数据传输和解析效率。例如，JSON相比XML体积更小，传输效率更高，而Google的Protobuf更进一步减小了数据体积。在高并发场景下，选择更紧凑的数据格式可以显著提高传输效率。

精简数据返回

在设计接口和数据库查询时，尽量只返回客户端需要的数据字段，避免返回大量不必要的数据。这可以通过在代码中或SQL查询中筛选字段来实现。精简数据返回可以减少网络传输和解析成本，提高系统性能和响应速度。

批量处理和缓存

对于一些处理能力要求高的业务，可以采用批量处理的方式减少网络连接的交互次数，从而提高处理速度。同时，对于频繁访问的结果集，可以将其缓存起来，减少对数据库或其他数据源的访问，进一步提高响应速度。

数据集合处理优化

针对频繁访问的数据集合，可以采用索引、位图等数据结构来加快数据访问速度。通过优化数据集合的访问方式，可以显著提高数据处理效率，减少系统的响应时间。

压缩和解压缩

在网络传输过程中，可以使用压缩算法对数据进行压缩，减小数据体积，提高传输效率。例如，Nginx可以开启GZIP压缩来压缩传输的内容，客户端在接收数据时进行解压缩，从而减少网络传输成本。

（六）资源冲突优化

资源冲突优化是提高系统性能和并发能力的重要手段之一，通过选择合适的锁机制、控制锁粒度、使用无锁数据结构、CAS操作和分布式锁等方式，可以有效地减少资源竞争，提高系统的并发性能和稳定性。

可参考文章：

深入理解多线程概念、同步与无锁机制_无锁同步机制-CSDN博客

对CAS技术整体分析-CSDN博客

CompletableFuture使用安利详解_competablefuture之批量处理-CSDN博客

Java中常用的锁总结与理解_java锁用来解决什么-CSDN博客

锁的选择和粒度控制

根据实际场景和性能需求选择合适的锁机制。在并发量较低的情况下，可以选择乐观锁，通过版本控制等机制来处理资源冲突；在并发量较高或者需要严格控制资源访问顺序的情况下，可以选择悲观锁，如Java中的ReentrantLock或synchronized关键字。此外，还可以根据需求选择公平锁或非公平锁，公平锁会按照请求的顺序获取锁，而非公平锁则不保证请求的顺序。

合理控制锁的粒度可以减少锁竞争，提高并发性能。尽量将锁的范围缩小到最小必要范围，避免将整个方法或类都锁住，从而降低锁竞争的概率。

无锁数据结构

针对高并发场景，可以考虑使用无锁数据结构来避免锁竞争。例如，ConcurrentHashMap和ConcurrentLinkedQueue等无锁数据结构可以提供更高的并发性能，避免了锁竞争的开销。

CAS操作

CAS（Compare and Swap）是一种无锁的原子操作，可以用来解决并发环境下的资源竞争问题。通过CAS操作，可以实现乐观锁的机制，减少锁竞争的概率，提高并发性能。

分布式锁

在分布式环境中，资源冲突的问题更加复杂，需要使用分布式锁来保证多个节点之间的数据一致性。常见的分布式锁实现包括基于ZooKeeper或Redis的分布式锁，通过分布式锁可以有效地解决分布式环境下的资源竞争问题。

（七）计算优化

计算优化是提高系统性能和效率的重要手段，通过并行执行、异步操作和惰性加载等方式，可以充分利用硬件资源，降低系统的负载压力，提高系统的并发能力和响应速度，从而提升用户体验和系统的稳定性。

并行执行

利用多核CPU的并行计算能力是加速任务执行的重要手段之一。通过多机、多进程或多线程的方式进行并行执行，可以充分利用硬件资源，提高计算效率。例如，采用MapReduce模式的分布式计算框架可以将任务拆分成多个部分，在多台机器上同时进行计算，加速任务执行。

变同步为异步

将同步的阻塞式请求转变为异步操作，可以提高系统的并发能力和响应速度。异步操作可以降低系统的负载压力，缓解突发的请求压力，使得系统能够更好地应对高并发场景。例如，采用异步IO模型的服务器可以处理大量并发请求，提高系统的吞吐量和响应速度。

惰性加载

采用惰性加载的方式可以延迟资源的加载和初始化过程，减少系统启动时间和内存占用。通过使用单例模式、代理模式等设计模式，可以实现按需加载资源，提高系统的性能和用户体验。例如，在绘制界面时先显示占位符，然后通过后台线程慢慢加载所需资源，可以避免界面的卡顿现象，提高用户体验。