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值得推薦的SpringBoot性能優(yōu)化長文

SpringBoot已經(jīng)成為Java屆的No.1框架，每天都在蹂躪著數(shù)百萬的程序員們。當服務(wù)的壓力上升，對SpringBoot服務(wù)的優(yōu)化就會被提上議程。

本文將詳細講解SpringBoot服務(wù)優(yōu)化的一般思路，并附上若干篇輔助文章作為開胃菜。

本文較長，最適合收藏之。

1.有監(jiān)控才有方向

在開始對SpringBoot服務(wù)進行性能優(yōu)化之前，我們需要做一些準備，把SpringBoot服務(wù)的一些數(shù)據(jù)暴露出來。

比如，你的服務(wù)用到了緩存，就需要把緩存命中率這些數(shù)據(jù)進行收集;用到了數(shù)據(jù)庫連接池，就需要把連接池的參數(shù)給暴露出來。

我們這里采用的監(jiān)控工具是Prometheus，它是一個是時序數(shù)據(jù)庫，能夠存儲我們的指標。SpringBoot可以非常方便的接入到Prometheus中。

創(chuàng)建一個SpringBoot項目后，首先，加入maven依賴。


     org.springframework.boot
     spring-boot-starter-actuator
 
 
     io.micrometer
     micrometer-registry-prometheus
 
 
     io.micrometer
     micrometer-core

然后，我們需要在application.properties配置文件中，開放相關(guān)的監(jiān)控接口。

management.endpoint.metrics.enabled=true
management.endpoints.web.exposure.include=*
management.endpoint.prometheus.enabled=true
management.metrics.export.prometheus.enabled=true

啟動之后，我們就可以通過訪問 http://localhost:8080/actuator/prometheus 來獲取監(jiān)控數(shù)據(jù)。

想要監(jiān)控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也是比較簡單的。你只需要注入一個MeterRegistry實例即可。下面是一段示例代碼：

@Autowired
MeterRegistry registry;

@GetMapping("/test")
@ResponseBody
public String test() {
    registry.counter("test",
            "from", "127.0.0.1",
            "method", "test"
    ).increment();

    return "ok";
}

從監(jiān)控連接中，我們可以找到剛剛添加的監(jiān)控信息。

test_total{from="127.0.0.1",method="test",} 5.0

這里簡單介紹一下流行的Prometheus監(jiān)控體系，Prometheus使用拉的方式獲取監(jiān)控數(shù)據(jù)，這個暴露數(shù)據(jù)的過程可以交給功能更加齊全的telegraf組件。

如圖，我們通常使用Grafana進行監(jiān)控數(shù)據(jù)的展示，使用AlertManager組件進行提前預(yù)警。這一部分的搭建工作不是我們的重點，感興趣的同學可自行研究。下圖便是一張典型的監(jiān)控圖，可以看到Redis的緩存命中率等情況。

2.Java生成火焰圖

火焰圖是用來分析程序運行瓶頸的工具。在縱向，表示的是調(diào)用棧的深度;橫向表明的是消耗的時間。所以格子的寬度越大，越說明它可能是一個瓶頸。

火焰圖也可以用來分析Java應(yīng)用。可以從github上下載async-profiler的壓縮包進行相關(guān)操作。

比如，我們把它解壓到/root/目錄。然后以javaagent的方式來啟動Java應(yīng)用。命令行如下：

java -agentpath:/root/build/libasyncProfiler.so=start,svg,file=profile.svg -jar spring-petclinic-2.3.1.BUILD-SNAPSHOT.jar

運行一段時間后，停止進程，可以看到在當前目錄下，生成了profile.svg文件，這個文件是可以用瀏覽器打開的，一層層向下瀏覽，即可找到需要優(yōu)化的目標。

3.Skywalking

對于一個web服務(wù)來說，最緩慢的地方就在于數(shù)據(jù)庫操作。所以，使用本地緩存和分布式緩存優(yōu)化，能夠獲得最大的性能提升。

對于如何定位到復雜分布式環(huán)境中的問題，我這里想要分享另外一個工具：Skywalking。

Skywalking是使用探針技術(shù)(JavaAgent)來實現(xiàn)的。通過在Java的啟動參數(shù)中，加入javaagent的Jar包，即可將性能數(shù)據(jù)和調(diào)用鏈數(shù)據(jù)封裝、發(fā)送到Skywalking的服務(wù)器。

下載相應(yīng)的安裝包(如果使用ES存儲，需要下載專用的安裝包)，配置好存儲之后，即可一鍵啟動。

將agent的壓縮包，解壓到相應(yīng)的目錄。

tar xvf skywalking-agent.tar.gz  -C /opt/

在業(yè)務(wù)啟動參數(shù)中加入agent的包。比如，原來的啟動命令是：

java  -jar /opt/test-service/spring-boot-demo.jar  --spring.profiles.active=dev

改造后的啟動命令是：

java -javaagent:/opt/skywalking-agent/skywalking-agent.jar -Dskywalking.agent.service_name=the-demo-name  -jar /opt/test-service/spring-boot-demo.ja  --spring.profiles.active=dev

訪問一些服務(wù)的鏈接，打開Skywalking的UI，即可看到下圖的界面。我們可以從圖中找到響應(yīng)比較慢QPS又比較高的的接口，進行專項優(yōu)化。

4.優(yōu)化思路

對一個普通的Web服務(wù)來說，我們來看一下，要訪問到具體的數(shù)據(jù)，都要經(jīng)歷哪些主要的環(huán)節(jié)。

如下圖，在瀏覽器中輸入相應(yīng)的域名，需要通過DNS解析到具體的IP地址上。為了保證高可用，我們的服務(wù)一般都會部署多份，然后使用Nginx做反向代理和負載均衡。

Nginx根據(jù)資源的特性，會承擔一部分動靜分離的功能。其中，動態(tài)功能部分，會進入我們的SpringBoot服務(wù)。

SpringBoot默認使用內(nèi)嵌的tomcat作為Web容器，使用典型的MVC模式，最終訪問到我們的數(shù)據(jù)。

5.HTTP優(yōu)化

下面我們舉例來看一下，哪些動作能夠加快網(wǎng)頁的獲取。為了描述方便，我們僅討論HTTP1.1協(xié)議的。

1）使用CDN加速文件獲取

比較大的文件，盡量使用CDN(Content Delivery Network)分發(fā)。甚至是一些常用的前端腳本、樣式、圖片等，都可以放到CDN上。CDN通常能夠加快這些文件的獲取，網(wǎng)頁加載也更加迅速。

2）合理設(shè)置Cache-Control值

瀏覽器會判斷HTTP頭Cache-Control的內(nèi)容，用來決定是否使用瀏覽器緩存，這在管理一些靜態(tài)文件的時候，非常有用。相同作用的頭信息還有Expires。Cache-Control表示多久之后過期，Expires則表示什么時候過期。

這個參數(shù)可以在Nginx的配置文件中進行設(shè)置。

location ~* ^.+\.(ico|gif|jpg|jpeg|png)$ { 
            # 緩存1年
            add_header Cache-Control: no-cache, max-age=31536000;
}

3）減少單頁面請求域名的數(shù)量

減少每個頁面請求的域名數(shù)量，盡量保證在4個之內(nèi)。這是因為，瀏覽器每次訪問后端的資源，都需要先查詢一次DNS，然后找到DNS對應(yīng)的IP地址，再進行真正的調(diào)用。

DNS有多層緩存，比如瀏覽器會緩存一份、本地主機會緩存、ISP服務(wù)商緩存等。從DNS到IP地址的轉(zhuǎn)變，通常會花費20-120ms的時間。減少域名的數(shù)量，可加快資源的獲取。

4）開啟gzip

開啟gzip，可以先把內(nèi)容壓縮后，瀏覽器再進行解壓。由于減少了傳輸?shù)拇笮?，會減少帶寬的使用，提高傳輸效率。

在nginx中可以很容易的開啟。配置如下：

gzip on;
gzip_min_length 1k;
gzip_buffers 4 16k;
gzip_comp_level 6;
gzip_http_version 1.1;
gzip_types text/plain application/javascript text/css;

5）對資源進行壓縮

對JavaScript和CSS，甚至是HTML進行壓縮。道理類似，現(xiàn)在流行的前后端分離模式，一般都是對這些資源進行壓縮的。

6）使用keepalive

由于連接的創(chuàng)建和關(guān)閉，都需要耗費資源。用戶訪問我們的服務(wù)后，后續(xù)也會有更多的互動，所以保持長連接可以顯著減少網(wǎng)絡(luò)交互，提高性能。

nginx默認開啟了對客戶端的keep avlide支持。你可以通過下面兩個參數(shù)來調(diào)整它的行為。

http {
    keepalive_timeout  120s 120s;
    keepalive_requests 10000;
}

nginx與后端upstream的長連接，需要手工開啟，參考配置如下：

location ~ /{ 
       proxy_pass http://backend;
       proxy_http_version 1.1;
       proxy_set_header Connection "";
}

6.Tomcat優(yōu)化

Tomcat本身的優(yōu)化，也是非常重要的一環(huán)?？梢灾苯訁⒖枷旅娴奈恼?。

搞定tomcat重要參數(shù)調(diào)優(yōu)!

7.自定義Web容器

如果你的項目并發(fā)量比較高，想要修改最大線程數(shù)、最大連接數(shù)等配置信息，可以通過自定義Web容器的方式，代碼如下所示。

@SpringBootApplication(proxyBeanMethods = false)
public class App implements WebServerFactoryCustomizer {
 public static void main(String[] args) {
  SpringApplication.run(PetClinicApplication.class, args);
 }
 @Override
 public void customize(ConfigurableServletWebServerFactory factory) {
  TomcatServletWebServerFactory f = (TomcatServletWebServerFactory) factory;
        f.setProtocol("org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol");

  f.addConnectorCustomizers(c -> {
   Http11NioProtocol protocol = (Http11NioProtocol) c.getProtocolHandler();
   protocol.setMaxConnections(200);
   protocol.setMaxThreads(200);
   protocol.setSelectorTimeout(3000);
   protocol.setSessionTimeout(3000);
   protocol.setConnectionTimeout(3000);
  });
 }
}

注意上面的代碼，我們設(shè)置了它的協(xié)議為org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol，意思就是開啟了Nio2。這個參數(shù)在Tomcat8.0之后才有，開啟之后會增加一部分性能。對比如下：

默認。

[root@localhost wrk2-master]# ./wrk -t2 -c100 -d30s -R2000 http://172.16.1.57:8080/owners?lastName=
Running 30s test @ http://172.16.1.57:8080/owners?lastName=
  2 threads and 100 connections
  Thread calibration: mean lat.: 4588.131ms, rate sampling interval: 16277ms
  Thread calibration: mean lat.: 4647.927ms, rate sampling interval: 16285ms
  Thread Stats   Avg      Stdev     Max   +/- Stdev
    Latency    16.49s     4.98s   27.34s    63.90%
    Req/Sec   106.50      1.50   108.00    100.00%
  6471 requests in 30.03s, 39.31MB read
  Socket errors: connect 0, read 0, write 0, timeout 60
Requests/sec:    215.51
Transfer/sec:      1.31MB

Nio2。

[root@localhost wrk2-master]# ./wrk -t2 -c100 -d30s -R2000 http://172.16.1.57:8080/owners?lastName=
Running 30s test @ http://172.16.1.57:8080/owners?lastName=
  2 threads and 100 connections
  Thread calibration: mean lat.: 4358.805ms, rate sampling interval: 15835ms
  Thread calibration: mean lat.: 4622.087ms, rate sampling interval: 16293ms
  Thread Stats   Avg      Stdev     Max   +/- Stdev
    Latency    17.47s     4.98s   26.90s    57.69%
    Req/Sec   125.50      2.50   128.00    100.00%
  7469 requests in 30.04s, 45.38MB read
  Socket errors: connect 0, read 0, write 0, timeout 4
Requests/sec:    248.64
Transfer/sec:      1.51MB

你甚至可以將tomcat替換成undertow。undertow也是一個Web容器，更加輕量級一些，占用的內(nèi)容更少，啟動的守護進程也更少，更改方式如下：


      org.springframework.boot
      spring-boot-starter-web
      
        
          org.springframework.boot
          spring-boot-starter-tomcat
        
      
    
    
      org.springframework.boot
      spring-boot-starter-undertow

8.各個層次的優(yōu)化方向

Controller層

controller層用于接收前端的查詢參數(shù)，然后構(gòu)造查詢結(jié)果。現(xiàn)在很多項目都采用前后端分離的架構(gòu)，所以controller層的方法，一般會使用@ResponseBody注解，把查詢的結(jié)果，解析成JSON數(shù)據(jù)返回(兼顧效率和可讀性)。

由于controller只是充當了一個類似功能組合和路由的角色，所以這部分對性能的影響就主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)集的大小上。如果結(jié)果集合非常大，JSON解析組件就要花費較多的時間進行解析。

大結(jié)果集不僅會影響解析時間，還會造成內(nèi)存浪費。假如結(jié)果集在解析成JSON之前，占用的內(nèi)存是10MB，那么在解析過程中，有可能會使用20M或者更多的內(nèi)存去做這個工作。我見過很多案例，由于返回對象的嵌套層次太深、引用了不該引用的對象(比如非常大的byte[]對象)，造成了內(nèi)存使用的飆升。

所以，對于一般的服務(wù)，保持結(jié)果集的精簡，是非常有必要的，這也是DTO(data transfer object)存在的必要。如果你的項目，返回的結(jié)果結(jié)構(gòu)比較復雜，對結(jié)果集進行一次轉(zhuǎn)換是非常有必要的。

另外，可以使用異步Servlet對Controller層進行優(yōu)化。它的原理如下：Servlet 接收到請求之后，將請求轉(zhuǎn)交給一個異步線程來執(zhí)行業(yè)務(wù)處理，線程本身返回至容器，異步線程處理完業(yè)務(wù)以后，可以直接生成響應(yīng)數(shù)據(jù)，或者將請求繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)給其它 Servlet。

Service層

service層用于處理具體的業(yè)務(wù)，大部分功能需求都是在這里完成的。service層一般是使用單例模式(prototype)，很少會保存狀態(tài)，而且可以被controller復用。

service層的代碼組織，對代碼的可讀性、性能影響都比較大。我們常說的設(shè)計模式，大多數(shù)都是針對于service層來說的。

這里要著重提到的一點，就是分布式事務(wù)。

如上圖，四個操作分散在三個不同的資源中。要想達到一致性，需要三個不同的資源進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)。它們底層的協(xié)議，以及實現(xiàn)方式，都是不一樣的。那就無法通過Spring提供的Transaction注解來解決，需要借助外部的組件來完成。

很多人都體驗過，加入了一些保證一致性的代碼，一壓測，性能掉的驚掉下巴。分布式事務(wù)是性能殺手，因為它要使用額外的步驟去保證一致性，常用的方法有：兩階段提交方案、TCC、本地消息表、MQ事務(wù)消息、分布式事務(wù)中間件等。

如上圖，分布式事務(wù)要在改造成本、性能、實效等方面進行綜合考慮。有一個介于分布式事務(wù)和非事務(wù)之間的名詞，叫做柔性事務(wù)。柔性事務(wù)的理念是將業(yè)務(wù)邏輯和互斥操作，從資源層上移至業(yè)務(wù)層面。

關(guān)于傳統(tǒng)事務(wù)和柔性事務(wù)，我們來簡單比較一下。

ACID

關(guān)系數(shù)據(jù)庫, 最大的特點就是事務(wù)處理, 即滿足ACID。

原子性(Atomicity)：事務(wù)中的操作要么都做，要么都不做。
一致性(Consistency)：系統(tǒng)必須始終處在強一致狀態(tài)下。
隔離性(Isolation)：一個事務(wù)的執(zhí)行不能被其他事務(wù)所干擾。
持續(xù)性(Durability)：一個已提交的事務(wù)對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的改變是永久性的。

BASE

BASE方法通過犧牲一致性和孤立性來提高可用性和系統(tǒng)性能。

BASE為Basically Available, Soft-state, Eventually consistent三者的縮寫，其中BASE分別代表：

基本可用(Basically Available)：系統(tǒng)能夠基本運行、一直提供服務(wù)。
軟狀態(tài)(Soft-state)：系統(tǒng)不要求一直保持強一致狀態(tài)。
最終一致性(Eventual consistency)：系統(tǒng)需要在某一時刻后達到一致性要求。

互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，推薦使用補償事務(wù)，完成最終一致性。比如，通過一系列的定時任務(wù)，完成對數(shù)據(jù)的修復。具體可以參照下面的文章。

常用的分布式事務(wù) 都有哪些?我該用哪個?

Dao層

經(jīng)過合理的數(shù)據(jù)緩存，我們都會盡量避免請求穿透到Dao層。除非你對ORM本身提供的緩存特性特別的熟悉，否則，都推薦你使用更加通用的方式去緩存數(shù)據(jù)。

Dao層，主要在于對ORM框架的使用上。比如，在JPA中，如果加了一對多或者多對多的映射關(guān)系，而又沒有開啟懶加載，級聯(lián)查詢的時候就容易造成深層次的檢索，造成了內(nèi)存開銷大、執(zhí)行緩慢的后果。

在一些數(shù)據(jù)量比較大的業(yè)務(wù)中，多采用分庫分表的方式。在這些分庫分表組件中，很多簡單的查詢語句，都會被重新解析后分散到各個節(jié)點進行運算，最后進行結(jié)果合并。

舉個例子，select count(*) from a這句簡單的count語句，就可能將請求路由到十幾張表中去運算，最后在協(xié)調(diào)節(jié)點進行統(tǒng)計，執(zhí)行效率是可想而知的。目前，分庫分表中間件，比較有代表性的是驅(qū)動層的ShardingJdbc和代理層的MyCat，它們都有這樣的問題。這些組件提供給使用者的視圖是一致的，但我們在編碼的時候，一定要注意這些區(qū)別。

End

下面我們來總結(jié)一下。

我們簡單看了一下SpringBoot常見的優(yōu)化思路。我們介紹了三個新的性能分析工具。一個是監(jiān)控系統(tǒng)Prometheus，可以看到一些具體的指標大小;一個是火焰圖，可以看到具體的代碼熱點;一個是Skywalking，可以分析分布式環(huán)境中的調(diào)用鏈。在對性能有疑惑的時候，我們都會采用類似于神農(nóng)氏嘗百草的方式，綜合各種測評工具的結(jié)果進行分析。

SpringBoot自身的Web容器是Tomcat，那我們就可以通過對Tomcat的調(diào)優(yōu)來獲取性能提升。當然，對于服務(wù)上層的負載均衡Nginx，我們也提供了一系列的優(yōu)化思路。

最后，我們看了在經(jīng)典的MVC架構(gòu)下，Controller、Service、Dao的一些優(yōu)化方向，并著重看了Service層的分布式事務(wù)問題。

這里有一個具體的優(yōu)化示例。

5秒到1秒，記一次效果“非常”顯著的性能優(yōu)化

SpringBoot作為一個廣泛應(yīng)用的服務(wù)框架，在性能優(yōu)化方面已經(jīng)做了很多工作，選用了很多高速組件。比如，數(shù)據(jù)庫連接池默認使用hikaricp，Redis緩存框架默認使用lettuce，本地緩存提供caffeine等。對于一個普通的于數(shù)據(jù)庫交互的Web服務(wù)來說，緩存是最主要的優(yōu)化手。但細節(jié)決定成敗，你要是想對系統(tǒng)做極致的優(yōu)化，還需要參考下面的這篇文章。

卓越性能の軍火庫(非廣告)

作者簡介：小姐姐味道 (xjjdog)，一個不允許程序員走彎路的公眾號。聚焦基礎(chǔ)架構(gòu)和Linux。十年架構(gòu)，日百億流量，與你探討高并發(fā)世界，給你不一樣的味道。

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