SpringBoot 性能這樣優(yōu)化，同事直呼哇塞！

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

本文將詳細(xì)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(kāi)胃菜。

本文較長(zhǎng)，最適合收藏之。

1.有監(jiān)控才有方向

在開(kāi)始對(duì)SpringBoot服務(wù)進(jìn)行性能優(yōu)化之前，我們需要做一些準(zhǔn)備，把SpringBoot服務(wù)的一些數(shù)據(jù)暴露出來(lái)。

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(jìn)行收集；用到了數(shù)據(jù)庫(kù)連接池，就需要把連接池的參數(shù)給暴露出來(lái)。

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

創(chuàng)建一個(gè)SpringBoot項(xiàng)目后，首先，加入maven依賴。

<dependency>
?????<groupId>org.springframework.bootgroupId>
?????<artifactId>spring-boot-starter-actuatorartifactId>
?dependency>
?<dependency>
?????<groupId>io.micrometergroupId>
?????<artifactId>micrometer-registry-prometheusartifactId>
?dependency>
?<dependency>
?????<groupId>io.micrometergroupId>
?????<artifactId>micrometer-coreartifactId>
?dependency>

然后，我們需要在application.properties配置文件中，開(kāi)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(dòng)之后，我們就可以通過(guò)訪問(wèn) http://localhost:8080/actuator/prometheus 來(lái)獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

想要監(jiān)控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也是比較簡(jiǎn)單的。你只需要注入一個(gè)MeterRegistry實(shí)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(jiǎn)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?cái)?shù)據(jù)，這個(gè)暴露數(shù)據(jù)的過(guò)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(jìn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的展示，使用AlertManager組件進(jìn)行提前預(yù)警。這一部分的搭建工作不是我們的重點(diǎn)，感興趣的同學(xué)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(lái)分析程序運(yùn)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(shí)間。所以格子的寬度越大，越說(shuō)明它可能是一個(gè)瓶頸。

火焰圖也可以用來(lái)分析Java應(yīng)用。可以從github上下載async-profiler的壓縮包 進(jìn)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(lái)啟動(dòng)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(yùn)行一段時(shí)間后，停止進(jìn)程，可以看到在當(dāng)前目錄下，生成了profile.svg文件，這個(gè)文件是可以用瀏覽器打開(kāi)的，一層層向下瀏覽，即可找到需要優(yōu)化的目標(biāo)。

3.Skywalking

對(duì)于一個(gè)web服務(wù)來(lái)說(shuō)，最緩慢的地方就在于數(shù)據(jù)庫(kù)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(duì)于如何定位到復(fù)雜分布式環(huán)境中的問(wèn)題，我這里想要分享另外一個(gè)工具：Skywalking。

Skywalking是使用探針技術(shù)（JavaAgent）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)在Java的啟動(dòng)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(chǔ)，需要下載專(zhuān)用的安裝包），配置好存儲(chǔ)之后，即可一鍵啟動(dòng)。

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(dòng)參數(shù)中加入agent的包。比如，原來(lái)的啟動(dòng)命令是：

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

改造后的啟動(dòng)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(wèn)一些服務(wù)的鏈接，打開(kāi)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(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)優(yōu)化。

4.優(yōu)化思路

對(duì)一個(gè)普通的Web服務(wù)來(lái)說(shuō)，我們來(lái)看一下，要訪問(wèn)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(guò)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(huì)部署多份，然后使用Nginx做反向代理和負(fù)載均衡。

Nginx根據(jù)資源的特性，會(huì)承擔(dān)一部分動(dòng)靜分離的功能。其中，動(dòng)態(tài)功能部分，會(huì)進(jìn)入我們的SpringBoot服務(wù)。

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

5.HTTP優(yōu)化

下面我們舉例來(lái)看一下，哪些動(dòng)作能夠加快網(wǎng)頁(yè)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(yè)加載也更加迅速。

2.合理設(shè)置Cache-Control值

瀏覽器會(huì)判斷HTTP頭Cache-Control的內(nèi)容，用來(lái)決定是否使用瀏覽器緩存，這在管理一些靜態(tài)文件的時(shí)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(guò)期，Expires則表示什么時(shí)候過(guò)期。

這個(gè)參數(shù)可以在Nginx的配置文件中進(jìn)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(yè)面請(qǐng)求域名的數(shù)量

減少每個(gè)頁(yè)面請(qǐng)求的域名數(shù)量，盡量保證在4個(gè)之內(nèi)。這是因?yàn)?，瀏覽器每次訪問(wèn)后端的資源，都需要先查詢一次DNS，然后找到DNS對(duì)應(yīng)的IP地址，再進(jìn)行真正的調(diào)用。

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

4.開(kāi)啟gzip

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

在nginx中可以很容易的開(kāi)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(duì)資源進(jìn)行壓縮

對(duì)JavaScript和CSS，甚至是HTML進(jìn)行壓縮。道理類(lèi)似，現(xiàn)在流行的前后端分離模式，一般都是對(duì)這些資源進(jìn)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(fèi)資源。用戶訪問(wèn)我們的服務(wù)后，后續(xù)也會(huì)有更多的互動(dòng)，所以保持長(zhǎng)連接可以顯著減少網(wǎng)絡(luò)交互，提高性能。

nginx默認(rèn)開(kāi)啟了對(duì)客戶端的keep avlide支持。你可以通過(guò)下面兩個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)整它的行為。

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

nginx與后端upstream的長(zhǎng)連接，需要手工開(kāi)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)。可以直接參考下面的文章。

搞定tomcat重要參數(shù)調(diào)優(yōu)！

7.自定義Web容器

如果你的項(xiàng)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(guò)自定義Web容器的方式，代碼如下所示。

@SpringBootApplication(proxyBeanMethods?=?false)
public?class?App?implements?WebServerFactoryCustomizer<ConfigurableServletWebServerFactory>?{
?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?cè)O(shè)置了它的協(xié)議為org.apache.coyote.http11.Http11Nio2Protocol，意思就是開(kāi)啟了Nio2。這個(gè)參數(shù)在Tomcat8.0之后才有，開(kāi)啟之后會(huì)增加一部分性能。對(duì)比如下：

默認(rèn)。

[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(gè)Web容器，更加輕量級(jí)一些，占用的內(nèi)容更少，啟動(dòng)的守護(hù)進(jìn)程也更少，更改方式如下：

<dependency>
??????<groupId>org.springframework.bootgroupId>
??????<artifactId>spring-boot-starter-webartifactId>
??????<exclusions>
????????<exclusion>
??????????<groupId>org.springframework.bootgroupId>
??????????<artifactId>spring-boot-starter-tomcatartifactId>
????????exclusion>
??????exclusions>
????dependency>
????<dependency>
??????<groupId>org.springframework.bootgroupId>
??????<artifactId>spring-boot-starter-undertowartifactId>
????dependency>

8.各個(gè)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?，F(xiàn)在很多項(xiàng)目都采用前后端分離的架構(gòu)，所以controller層的方法，一般會(huì)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(dāng)了一個(gè)類(lèi)似功能組合和路由的角色，所以這部分對(duì)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(fèi)較多的時(shí)間進(jìn)行解析。

大結(jié)果集不僅會(huì)影響解析時(shí)間，還會(huì)造成內(nèi)存浪費(fèi)。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(guò)程中，有可能會(huì)使用20M或者更多的內(nèi)存去做這個(gè)工作。我見(jiàn)過(guò)很多案例，由于返回對(duì)象的嵌套層次太深、引用了不該引用的對(duì)象（比如非常大的byte[]對(duì)象），造成了內(nèi)存使用的飆升。

所以，對(duì)于一般的服務(wù)，保持結(jié)果集的精簡(jiǎn)，是非常有必要的，這也是DTO(data transfer object)存在的必要。如果你的項(xiàng)目，返回的結(jié)果結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)結(jié)果集進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換是非常有必要的。

另外，可以使用異步Servlet對(duì)Controller層進(jìn)行優(yōu)化。它的原理如下：Servlet 接收到請(qǐng)求之后，將請(qǐng)求轉(zhuǎn)交給一個(gè)異步線程來(lái)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(qǐng)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(huì)保存狀態(tài)，而且可以被controller復(fù)用。

service層的代碼組織，對(duì)代碼的可讀性、性能影響都比較大。我們常說(shuō)的設(shè)計(jì)模式，大多數(shù)都是針對(duì)于service層來(lái)說(shuō)的。

這里要著重提到的一點(diǎn)，就是分布式事務(wù)。

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

很多人都體驗(yàn)過(guò)，加入了一些保證一致性的代碼，一壓測(cè)，性能掉的驚掉下巴。分布式事務(wù)是性能殺手，因?yàn)樗褂妙~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(shí)效等方面進(jìn)行綜合考慮。有一個(gè)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(lái)簡(jiǎn)單比較一下。

ACID

關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù), 最大的特點(diǎn)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(qiáng)一致?tīng)顟B(tài)下。
• 隔離性（Isolation）：一個(gè)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(gè)已提交的事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的改變是永久性的。

BASE

BASE方法通過(guò)犧牲一致性和孤立性來(lái)提高可用性和系統(tǒng)性能。

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

• 基本可用（Basically Available）：系統(tǒng)能夠基本運(yùn)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(qiáng)一致?tīng)顟B(tài)。
• 最終一致性（Eventual consistency）：系統(tǒng)需要在某一時(shí)刻后達(dá)到一致性要求。

互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，推薦使用補(bǔ)償事務(wù)，完成最終一致性。比如，通過(guò)一系列的定時(shí)任務(wù)，完成對(duì)數(shù)據(jù)的修復(fù)。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(gè)？

Dao層

經(jīng)過(guò)合理的數(shù)據(jù)緩存，我們都會(huì)盡量避免請(qǐng)求穿透到Dao層。除非你對(duì)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(duì)ORM框架的使用上。比如，在JPA中，如果加了一對(duì)多或者多對(duì)多的映射關(guān)系，而又沒(méi)有開(kāi)啟懶加載，級(jí)聯(lián)查詢的時(shí)候就容易造成深層次的檢索，造成了內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)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(kù)分表的方式。在這些分庫(kù)分表組件中，很多簡(jiǎn)單的查詢語(yǔ)句，都會(huì)被重新解析后分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算，最后進(jìn)行結(jié)果合并。

舉個(gè)例子，select count(*) from a這句簡(jiǎn)單的count語(yǔ)句，就可能將請(qǐng)求路由到十幾張表中去運(yùn)算，最后在協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，執(zhí)行效率是可想而知的。目前，分庫(kù)分表中間件，比較有代表性的是驅(qū)動(dòng)層的ShardingJdbc和代理層的MyCat，它們都有這樣的問(wèn)題。這些組件提供給使用者的視圖是一致的，但我們?cè)诰幋a的時(shí)候，一定要注意這些區(qū)別。

End

下面我們來(lái)總結(jié)一下。

我們簡(jiǎn)單看了一下SpringBoot常見(jiàn)的優(yōu)化思路。我們介紹了三個(gè)新的性能分析工具。一個(gè)是監(jiān)控系統(tǒng)Prometheus，可以看到一些具體的指標(biāo)大小；一個(gè)是火焰圖，可以看到具體的代碼熱點(diǎn)；一個(gè)是Skywalking，可以分析分布式環(huán)境中的調(diào)用鏈。在對(duì)性能有疑惑的時(shí)候，我們都會(huì)采用類(lèi)似于神農(nóng)氏嘗百草的方式，綜合各種測(cè)評(píng)工具的結(jié)果進(jìn)行分析。

SpringBoot自身的Web容器是Tomcat，那我們就可以通過(guò)對(duì)Tomcat的調(diào)優(yōu)來(lái)獲取性能提升。當(dāng)然，對(duì)于服務(wù)上層的負(fù)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(wèn)題。

SpringBoot作為一個(gè)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(kù)連接池默認(rèn)使用hikaricp，Redis緩存框架默認(rèn)使用lettuce，本地緩存提供caffeine等。對(duì)于一個(gè)普通的于數(shù)據(jù)庫(kù)交互的Web服務(wù)來(lái)說(shuō)，緩存是最主要的優(yōu)化手。

完！

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