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原文出自：http://blog.csdn.net/anxpp/article/details/51914119，转载请注明出处，谢谢！

1、前言

    OK，之前写了一篇文章：“23种设计模式介绍以及在Java中的应用”详细介绍了如何将设计模式应用到Java编程中，而本文旨在介绍如何利用他们优化我们的程序，使其性能更佳。

    设计模式的详细介绍请参照上面链接中的文章，不是本文的重点。

    而Java程序的性能优化，不一定就仅仅是以提高系统性能为目的的，还可能是以用户体验、系统可维护性等为目的。

2、概述

    我们知道，设计模式能够大大的优化我们的代码，是针对某一类问题的最优解决方案，是从许多优秀的软件系统中总结出的。

    本文重点是Java程序性能优化中的设计优化，介绍的设计模式都是与性能相关的。

    出了设计模式，文章也会介绍一些相关的设计组件和设计方法。

3、合理使用设计模式

    该节中涉及的设计模式，都在文首链接的文章中详细的介绍了，如果不清楚他们的实现，请先阅读它们。

    3.1、单例模式

    单例模式最容易理解，也最常见，是一种对象创建模式。

    下面是一种简单但正确的实现方式：

public enum EasySingleton{
    INSTANCE;
}

    上面的方式实现代理，利用的是Java自有的机制，线程是安全的，也不担心被使用反射强行调用构造方式产生多个实例。

    在Java语言中，单例模式能明显带来的好处：

    1、对于频繁使用的对象，可以省略创建对象所花费的时间，这对于那些重量级的对象来说，尤为明显。

    2、由于没有new更多的对象，内存使用频率也降低，从而减轻GC（垃圾回收器）的压力。

    不过单例模式切不可滥用，不然很容易造成内存泄露，可参考：JAVA 内存泄露详解

    3.2、代理模式

    代理模式也很常用，可以屏蔽用户对真实对象的访问。

    而且代理模式还能简单的实现AOP（面向切面编程）。

    但是涉及到性能的，主要是体现在使用代理模式实现延迟加载。延迟加载的核心思想是：如果当前没有使用这个对象（或组件），就不需要真正的创建它。

    3.2.1、简单示例

    下面还是要看一个简单的示例：

package com.anxpp.hello911.proxy;
//使用
public class SimpleProxy {
    public static void main(String[] args) {
        IBase base = new BaseProxy();   //使用代理
        base.doSomeThing();             //使用时懒加载
    }
}
interface IBase{
    String doSomeThing();
}
//类本身，通常是重量级的对象
class Base implements IBase{
    public Base() {
        try {
            //构造这个对象可能是非常耗时的操作
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    @Override
    public String doSomeThing() {
        return "result";
    }
}
//代理类
class BaseProxy implements IBase{
    private IBase base = null;
    @Override
    public String doSomeThing() {
        if(base==null)
            base = new Base();
        return base.doSomeThing();
    }
}

    当我们要使用的对象是一个相对重量级的时候，我们可以使用上面的代理模式，为这个对象作懒加载。

    为什么会优化性能呢？这是对用户而言，因为对象是懒加载的，比如，系统启动速度会有效（基于这个对象的构造复杂度）提升，因此会很好的改善用户的体验。再者，有些组件，可能再程序的生命周期并不一定会被调用，而使用懒加载，无疑就避免了这些资源的浪费。

    3.2.2、动态代理

    动态代理是在运行时，动态的生成代理类。

    如果类本身实现的接口中包含了较多的方法，那么，为每个接口都实现一个代理类，是比较繁琐的。 如果接口发生改变，真是对象和代理对象都要修改。但是若使用代理模式生成方法，将大大优化上面出现的问题。

    3.3、享元模式

    享元模式的主要目的就是提高系统性能，就是真正意思上的性能优化了。

    享元模式的最佳实践之一，就是Java中的String类了，相信大家也是非常清楚的。

    其核心原理：如果系统中存在多个相同的对象，那么只需要共享一分对象的拷贝。

    对性能的提升主要体现在两点：

    1、节约重复创建对象的开销。

    2、减小系统内存的开销。

    3.4、装饰者模式

    装饰者模式巧妙的设计结构：可以动态的为对象添加功能。

    根据“合成/聚合”复用原则，代码复用应该尽可能使用委托（即组合），而不是继承，因为继承是一种紧耦合的，父类的任何改动都会影响其子类，不利于系统维护。但是委托使松耦合的，只要接口不变，委托类的改动并不会影响其上层对象。

    装饰者模式可以有效的分离性能组件和功能组件，从而提升模块的可维护性并增加模块的复用性。

    具体实现请参考文首的文章链接中的相关内容。

    3.5、观察者模式

    观察者模式也是一种比较常用的设计模式。

    系统中的一个对象的行为依赖另一个对象时，观察者模式就相当有用。

    如果在常规方法中，需要实现类似功能的话，需要开启多个线程监控所依赖的对象的状态（多线程实际上是会加重系统的负担的），但是入股欧使用观察者模式，实现这样的功能可以在单线程中完成。

    观察者模式可以用于时间的监听、通知发布等场合，可以确保将这个变化通知给观察者。

    JDK中也实现了一套观察者模式，详见文首链接的文章。

    3.6、Value Object模式

    Value Object是一种什么样的模式呢？其实就是将一组操作原子化。

    比如，如果我们要从数据库取得一组特定的结果，他们可能需要经过多次查询或者还需要计算，那么如果仅仅是在Java代码中经过多次查询并组织成我们的目标结果，可能并不是一个好的设计。相反，我们可以将这些属性，封装到一个对象中，然后使用存储过程（Oracle也直接导入Java代码来代替存储过程，如果数据需要经过大量的计算处理，这将比存储过程效率高很多）将这些操作原子化，大大减少数据库访问次数，就能达到系统优化的目的。

    而这种模式的应用不仅仅上上面这点，比如我们前端访问服务器取得数据，需要经过多次取值再组合显示的话，我们完全可以将这些属性封装到一个对象中，同意处理后返回，会减少服务器访问次数（不过如果需要懒加载，就需要分步获取数据）。

    3.7、业务代理模式

    业务代理模式可能概念上有点近似Value Object模式，不过它封装的不是一系列操作的属性，而是将部分业务流程组合到一起。

    我们也可以将其与模板方法做对比，他们都是将一系列操作组合到一起。

    业务代理模式将一些业务流程封装在前台系统，为系统性能优化提供了基础平台。

4、组件和方法

    4.1、缓冲（Buffer）

    缓冲区是一块专门用于化解程序中各个模块（或者层次）间的性能差异的，可以提高系统性能。

    使用的地方也很多，比如我们要将接收到的数据保存到硬盘中，从网络I/O中读取的数据是不稳定的，可能会很快，但是写入数据到硬盘的速度基本是固定的，两者是有差异的。我们可以通过在内存中开辟一块用来缓存数据，然后按一定的机制统一写到硬盘中，以协调两者的速度不匹配问题。这时候，如果从网络来的数据比较集中，也不用等数据都写入带硬盘后再继续接收剩余的数据，相反，如果网络I/O的数据很少，也可以先放到缓冲中，等到数据量达到一定程度后再统一写入硬盘。

    缓冲可以协调上层组件和下层组件的性能差异。当上层组件性能优于下层组件时，可以有效减少上层组件对下层组件的等待时间。

    由于I/O操作很容易成为性能瓶颈，所以尽可能在I/O读写中加入缓冲组件，以提高性能。

    4.2、缓存（Cache）

    缓存也是一块内存中专门开启的空间，主要是缓存数据处理结果，并提供给下一次访问。

    比如我们查询数据库的结果，如果没有修改数据库中的数据，那么每次查询的结果应该是一样的，我们没必要就每次要去查询一次，直接将结果缓存到内存中，下次需要的时候直接从内存中取即可。

    缓存的使用场合非常多，所以现在也有很多流行的支持缓存的NoSQL数据库，比如Redis。

    目前也有很多缓存使用相关的框架，不仅可以缓存数据到本地，还可以缓存到远程分布式缓存服务器中。

    缓存可以保存一下来之不易的数据或计算结果。当需要再次使用这些数据时，可以从缓存中低成本的获取。

    4.3、池

    对象池化也是一个非常常用的系统优化技术。

    核心思想是：如果一个类被频繁请求使用，那么不必每次都生成一个示例，可以将这个类的一些实例保存在一个“池”中，待需要使用时，直接从池中获取。

    实现上，它可以是数组、链表等任何集合。

    可能使用最多的就是线程池，线程池中保存的就是可以被重用的线程对象，当任务呗提交到线程池时，系统并不一定需要新建线程，而是从池中获取一个可用的线程来执行这个任务。

    在程序中使用数据库连接池和线程池，可以有效的改善系统咋高并发下的性能。而目前可能对数据库操作都常使用一些ORM框架，它们都很好的封装了数据库连接池，可能碰到更多的，还是线程池。当然，其他类似的情况，我们也可以考虑自己实现一个池。

    4.4、并行而不是串行

     也就是多线程技术，它可以将CPU的潜能发挥到最大化。

    并发相关技术请参考博客总并发相关的文章。

    4.5、负载均衡

    对于一些大型应用，单台服务器是无法满足需求的，可能就需要部署多台作集群，然后使用负载均衡技术将工作尽可能的平均分配到各个服务器上。

    比如一个Web服务器，如果较高的并发已经导致系统频繁的无响应等，通常就会配置多台服务器集群，然后使用Nginx等应用作负载均衡，将请求分配到不同的服务器上。而Session的管理，可能就会使用诸如Redis等缓存数据库，统一管理。

    4.6、时间与空间之间的权衡

    对于不同的业务类型，可能对时间（CPU）和空间（存储）的需求也各不相同。

    性能的优化在于掌握各部分组件的性能平衡点。如果系统CPU资源有空闲，但是内存使用紧张，便可以考虑使用时间换空间的策略，大道整体性能的改进。相反，如果CPU资源紧张，就可以考虑用空间换时间。

    在很多算法（比如常见的排序算法），他们对的时间复杂度和空间复杂度是各不相同的，在使用时没应考虑时间和空间的权衡。

5、总结

    本文主要是探讨在设计上如何优化我们的程序，而优化并不一定就完全是提高系统的性能，还可能是用户体验、可维护性等。

Java程序性能优化——设计优化

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