J2EE性能问题的分析

摘 要：诊断复杂的J2EE应用程序中的性能问题是一项艰巨任务。IT部门人员的责任是确保应用程序具备优越的性能且持续可用。出现性能问题时能够准确判断应归咎于特定应用程序组件，还是某个应用程序连接的后台或前端系统。本文着重讨论J2EE应用程序中常见的性能问题；分析引起这些性能问题的根本原因；提出如何准确诊断并迅速排除性能问题的可行性建议，以供参考。

前言

      如果需要您来诊断J2EE应用程序中的性能问题，Java系统的复杂性俨然将问题变为难以诊治的疑难杂症。为了准确查明问题所在，您需要对系统的故障征兆有一个全面的了解，还需要做大量的调研工作，提出适当的补救措施。本文着重讨论J2EE应用程序中常见的性能问题，分析引起这些性能问题的根本原因，提出如何准确诊断并迅速排除性能问题的可行性建议，以供参考。

故障征兆

      应用程序出现性能问题的征兆是什么？您所观察到的故障征兆诱导你对所有可能出现问题进行全面检索。拿起笔记本开始向人们收集数据。努力从假定推断中抽身出来，以确凿的证据认定系统的实际行为，查找引起性能问题的根本原因。系统中常见的故障征兆列表如下

      ■ 持续运行缓慢。时常发现应用程序运行缓慢。通过改变环境因子（如负载量、数据库连接数等）也无法有效提升整体响应时间。

      ■ 系统性能随时间的增加逐渐下降。在负载稳定的情况下，系统运行时间越长速度越慢。可能是由于超出某个阈值范围，系统运行频繁出错从而导致系统死锁或崩溃。

      ■ 系统性能随负载的增加逐渐下降。随着用户数目的增多，应用程序的运行越发缓慢。若干个用户退出系统后，应用程序便能够恢复正常运行状态。

      ■ 间发性的系统挂起或异常错误。有时候可能受负载或其它因素影响，当面不能完全显示，又或者是追踪到异常和堆栈的错误页，用户此时会看到系统挂起的情况。系统挂起的次数可能会稍有不同，然而即便是经过预烧（“burn in”）试验也无法完全消除。

      ■ 可预见的死锁。系统挂起或系统出错发生的频率随着时间的推移明显增多，直到系统完全死锁。通常借助自动重启的故障管理模式解决上述问题。

      ■ 系统突然出现混乱。系统正常运行，且在或多或少的一段时间内（譬如，可以是1小时也可以是3天）拥有一致优越的运行性能，却突然毫无征兆地出错甚至死锁。

 

性能问题的诊断为何如此困难

      特定使用模式下应用程序的性能优劣并无现成规则可循。（就严格意义上的实时工程而言，借助速率单调分析等方法的确可以完成这项工作，但已超出本文研究的范畴，在此不做讨论）。网络中是否存在另一个系统正在密集使用共享的后台服务，必将极大地影响系统的实际性能。系统性能或许还取决于JDBC驱动程序与数据库版本是否严格匹配。也可能出现这样的情况：开发人员三年前编写的代码，恰巧在这个时候出现特定类型的异常，而您急需的用以解决问题的回馈信息偏偏包含在那些异常当中。

      典型业务系统的性能呈现整体涌现性（emergent property）特征，是成千上万个变量（交互式）和决策共同作用的结果。就如同人的身体，是一个由众多联锁的组成部分和过程构成的整体。在文中我们采用统摄性模式以简化问题。

 

故障现象

      您所观察到的“疾病”征兆的根本原因是什么？是普通流感还是肺炎初期？是应用程序内部潜在的性能问题还是JVM外部进程出现了问题？下表是应用程序性能下降的常见原因列表，具体如下

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“疾病”	描述	征兆	原因或解决方法
内存泄漏呈线性增长	各单元（如每个事务或每个用户等）的内存泄漏，导致内存使用率随时间或负载的增加呈线性增长。系统性能随时间或负载的增加大幅下降，重启后系统可恢复正常	系统性能随时间的增加逐渐下降, 系统性能随负载的增加逐渐下降	虽然有许多外在因素存在（如各单元数据的链表存储、尚未回收的缓冲中的回收或增长操作等），但最为常见的原因还是资源泄漏
内存泄漏呈指数级增长	内存泄漏呈双倍增长，导致系统内存消耗随时间呈指数曲线变化	系统性能随时间的增加逐渐下降,系统性能随负载的增加逐渐下降	虽然有许多外在因素存在（如各单元数据的链表存储、尚未回收的缓冲中的回收或增长操作等），但最为常见的原因还是资源泄漏
导致无限循环的编码缺陷	线程在while语句返回值为真的情况下发生阻塞， 将最终演变成为CPU密集型和等待密集型或螺旋等待变量	可预见的死锁	需要进行侵入式循环切除
资源泄漏	JDBC语句、CICS事务网关连接等出现资源泄漏，引发Java桥接层和后台系统出现严重性能问题	系统性能随时间的增加逐渐下降, 可预见的死锁, 系统突然出现混乱	通常是由于遗漏了Finally模块，或者只是没有用close函数关闭代表外部资源的对象
外部瓶颈	后台或其它外部系统（如用户验证）运行缓慢，大大影响J2EE应用服务器及应用程序的运行速度	系统持续缓慢运行, 系统性能随负载的增加逐渐下降	向专家（包括可靠的第三方或系统管理员等）咨询特定外部瓶颈问题的有效解决方法
外部系统的过度使用	J2EE应用程序发送的请求过大过多，滥用后台系统资源	系统持续缓慢运行, 系统性能随负载的增加逐渐下降	消除冗余的工作请求，分批处理同类工作请求，把大请求细分为若干个小请求，调整工作请求或后台系统（例如为公共查询的关键字建立索引）等
频繁调用CPU密集型组件的编码缺陷	J2EE领域的通病是：些许编码缺陷或少量编码的交互失败，都会令CPU挂起，从而将数据流量速度降至蜗行	系统持续缓慢运行, 系统性能随负载的增加逐渐下降	最好的解决方法是将数据存储在本地缓存中，或者为执行算法配备高速缓冲存储器
桥接层本身存在的问题	桥接层（如JDBC驱动、CORBA到遗留系统的连接等）存在执行缺陷。需要不断对数据和请求作编组和取消编组操作，导致该层的数据流量速度降至蜗行。这种故障现象在早期阶段与外部瓶颈极为相似	系统持续缓慢运行, 系统性能随负载的增加逐渐下降	检查桥接层与外部系统的版本是否兼容。如果可能的话，对不同桥接供应商进行评估。通过重新规划设计系统架构，则可完全旁路桥接层
内部资源瓶颈：资源的过度使用或分配不足	内部资源（如线程、放入存储池的对象等）匮乏，却无法判断是正常情况下随负载增加而引起的资源过度使用，还是由于资源泄漏引起	系统性能随负载的增加逐渐下降, 间发性的系统挂起或异常错误	若因资源分配不足引起，则可依照最大预期负载值上调存储池的最大容量；若因资源过度使用引起，请参看本表“外部系统的过度使用”一栏
不断重试	失败请求的频繁重试（某些极端情况下将无休止重试）	可预见的死锁系统突然出现混乱	后台系统可能已经完全宕机。监控系统可用性对这样的状况有所帮助，也可以只是将多次重复尝试的请求从成功的请求中筛选出来
线程阻塞点	线程退回到无法完成的同步点，造成通信阻塞	系统性能随负载的增加逐渐下降, 间发性的系统挂起或异常错误, 可预见的死锁, 系统突然出现混乱	或许根本没有必要进行同步（只需对系统重新设计稍加改良），当然也可以定制一些外在的锁定策略（如读取器或写入器的读/写锁）
线程的死锁或活锁	通常只是“获取顺序”问题	系统突然出现混乱	解决方法选项包括主锁、即定的获取顺序以及银行家算法
网络饱和	等待时间长或基本无法将任何请求打包，导致系统异常停运、系统挂起或活锁等情况的出现	系统持续缓慢运行, 系统性能随负载的增加逐渐下降, 间发性的系统挂起或异常错误	如此棘手的问题正在侵蚀着网络系统，如果不及时升级系统的基础架构，提升网络及路由器的运行速度，将无法扼制日后类似问题的出现