详解处理Java中的大对象的方法

目录

• String中的substring
• 集合大对象扩容
• 保持合适的对象粒度
• Bitmap 把对象变小
• 数据的冷热分离
• 数据双写
• 写入 MQ 分发
• 使用 Binlog 同步
• 思维发散
• 小结

本文我们将讲解一下对于“大对象”的优化。这里的“大对象”，是一个泛化概念，它可能存放在 JVM 中，也可能正在网络上传输，也可能存在于数据库中。

那么为什么大对象会影响我们的应用性能呢？

第一，大对象占用的资源多，垃圾回收器要花一部分精力去对它进行回收；

第二，大对象在不同的设备之间交换，会耗费网络流量，以及昂贵的 I/O；

第三，对大对象的解析和处理操作是耗时的，对象职责不聚焦，就会承担额外的性能开销。

结合我们前面提到的缓存，以及对象的池化操作，加上对一些中间结果的保存，我们能够对大对象进行初步的提速。

但这还远远不够，我们仅仅减少了对象的创建频率，但并没有改变对象“大”这个事实。本文，将从 JDK 的一些知识点讲起，先来看几个面试频率比较高的对象复用问题；接下来，从数据的结构纬度和时间维度出发，分别逐步看一下一些把对象变小，把操作聚焦的策略。

String中的substring

我们都知道，String 在 Java 中是不可变的，如果你改动了其中的内容，它就会生成一个新的字符串。如果我们想要用到字符串中的一部分数据，就可以使用 substring 方法。

下面是Java11中String的源码。

public String substring(int beginIndex) {
    if (beginIndex < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
    }
    int subLen = length() - beginIndex;
    if (subLen < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
    }
    if (beginIndex == 0) {
        return this;
    }
    return isLatin1() ? StringLatin1.newString(value, beginIndex, subLen)
                      : StringUTF16.newString(value, beginIndex, subLen);
}

public static String newString(byte[] val, int index, int len) {
    if (String.COMPACT_STRINGS) {
        byte[] buf = compress(val, index, len);
        if (buf != null) {
            return new String(buf, LATIN1);
        }
    }
    int last = index + len;
    return new String(Arrays.copyOfRange(val, index << 1, last << 1), UTF16);
}

如上述代码所示，当我们需要一个子字符串的时候，substring 生成了一个新的字符串，这个字符串通过构造函数的 Arrays.copyOfRange 函数进行构造。

这个函数在 Java7 之后是没有问题的，但在Java6 中，却有着内存泄漏的风险，我们可以学习一下这个案例，来看一下大对象复用可能会产生的问题。下面是Java6中的代码：

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
    if (beginIndex < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
    }
    if (endIndex > count) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
    }
    if (beginIndex > endIndex) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex - beginIndex);
    }
    return ((beginIndex == 0) && (endIndex == count)) ?
            this :
            new String(offset + beginIndex, endIndex - beginIndex, value);
}

String(int offset, int count, char value[]) {
    this.value = value;
    this.offset = offset;
    this.count = count;
}

可以看到，它在创建子字符串的时候，并不只拷贝所需要的对象，而是把整个 value 引用了起来。如果原字符串比较大，即使不再使用，内存也不会释放。

比如，一篇文章内容可能有几兆，我们仅仅是需要其中的摘要信息，也不得不维持整个的大对象。

有一些工作年限比较长的面试官，对 substring 还停留在 JDK6 的印象，但其实，Java 已经将这个 bug 给修改了。如果面试时遇到这个问题，保险起见，可以把这个改善过程答出来。

这对我们的借鉴意义是：如果你创建了比较大的对象，并基于这个对象生成了一些其他的信息，这个时候，一定要记得去掉和这个大对象的引用关系。

集合大对象扩容

对象扩容，在 Java 中是司空见惯的现象，比如 StringBuilder、StringBuffer、HashMap，ArrayList 等。概括来讲，Java 的集合，包括 List、Set、Queue、Map 等，其中的数据都不可控。在容量不足的时候，都会有扩容操作，扩容操作需要重新组织数据，所以都不是线程安全的。

我们先来看下 StringBuilder 的扩容代码：

void expandCapacity(int minimumCapacity) {
    int newCapacity = value.length * 2 + 2;
    if (newCapacity - minimumCapacity < 0)
        newCapacity = minimumCapacity;
    if (newCapacity < 0) {
        if (minimumCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
    }
    value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
}

容量不够的时候，会将内存翻倍，并使用 Arrays.copyOf 复制源数据。

下面是 HashMap 的扩容代码，扩容后大小也是翻倍。它的扩容动作就复杂得多，除了有负载因子的影响，它还需要把原来的数据重新进行散列，由于无法使用 native 的 Arrays.copy 方法，速度就会很慢。

void addEntry(int hash, K key, V value, int bucketIndex) {
    if ((size >= threshold) && (null != table[bucketIndex])) {
        resize(2 * table.length);
        hash = (null != key) ? hash(key) : 0;
        bucketIndex = indexFor(hash, table.length);
    }
    createEntry(hash, key, value, bucketIndex);
}

void resize(int newCapacity) {
    Entry[] oldTable = table;
    int oldCapacity = oldTable.length;
    if (oldCapacity == MAXIMUM_CAPACITY) {
        threshold = Integer.MAX_VALUE;
        return;
    }
    Entry[] newTable = new Entry[newCapacity];
    transfer(newTable, initHashSeedAsNeeded(newCapacity));
    table = newTable;
    threshold = (int) Math.min(newCapacity * loadFactor, MAXIMUM_CAPACITY + 1);
}

List 的代码大家可自行查看，也是阻塞性的，扩容策略是原长度的 1.5 倍。

由于集合在代码中使用的频率非常高，如果你知道具体的数据项上限，那么不妨设置一个合理的初始化大小。比如，HashMap 需要 1024 个元素，需要 7 次扩容，会影响应用的性能。面试中会频繁出现这个问题，你需要了解这些扩容操作对性能的影响。

但是要注意，像 HashMap 这种有负载因子的集合（0.75），初始化大小 = 需要的个数/负载因子+1，如果你不是很清楚底层的结构，那就不妨保持默认。

接下来，我将从数据的结构纬度和时间维度出发，讲解一下应用层面的优化。

保持合适的对象粒度

给你分享一个实际案例：我们有一个并发量非常高的业务系统，需要频繁使用到用户的基本数据。

如下图所示，由于用户的基本信息，都是存放在另外一个服务中，所以每次用到用户的基本信息，都需要有一次网络交互。更加让人无法接受的是，即使是只需要用户的性别属性，也需要把所有的用户信息查询，拉取一遍。

为了加快数据的查询速度，对数据进行了初步的缓存，放入到了 Redis 中，查询性能有了大的改善，但每次还是要查询很多冗余数据。

原始的 redis key 是这样设计的：

type: string
key: user_${userid}
value: json

这样的设计有两个问题：

查询其中某个字段的值，需要把所有 json 数据查询出来，并自行解析；

更新其中某个字段的值，需要更新整个 json 串，代价较高。

针对这种大粒度 json 信息，就可以采用打散的方式进行优化，使得每次更新和查询，都有聚焦的目标。

接下来对 Redis 中的数据进行了以下设计，采用 hash 结构而不是 json 结构：

type: hash
key: user_${userid}
value: {sex:f, id:1223, age:23}

这样，我们使用 hget 命令，或者 hmget 命令，就可以获取到想要的数据，加快信息流转的速度。

Bitmap 把对象变小

除了以上操作，还能再进一步优化吗？比如，我们系统中就频繁用到了用户的性别数据，用来发放一些礼品，推荐一些异性的好友，定时循环用户做一些清理动作等；或者，存放一些用户的状态信息，比如是否在线，是否签到，最近是否发送信息等，从而统计一下活跃用户等。那么对是、否这两个值的操作，就可以使用 Bitmap 这个结构进行压缩。

这里还有个高频面试问题，那就是 Java 的 Boolean 占用的是多少位？

在 Java 虚拟机规范里，描述是：将 Boolean 类型映射成的是 1 和 0 两个数字，它占用的空间是和 int 相同的 32 位。即使有的虚拟机实现把 Boolean 映射到了 byte 类型上，它所占用的空间，对于大量的、有规律的 Boolean 值来说，也是太大了。

如代码所示，通过判断 int 中的每一位，它可以保存 32 个 Boolean 值！

int a= 0b0001_0001_1111_1101_1001_0001_1111_1101;

Bitmap 就是使用 Bit 进行记录的数据结构，里面存放的数据不是 0 就是 1。还记得我们在之前 《分布式缓存系统必须要解决的四大问题》中提到的缓存穿透吗？就可以使用 Bitmap 避免，Java 中的相关结构类，就是 java.util.BitSet，BitSet 底层是使用 long 数组实现的，所以它的最小容量是 64。

10 亿的 Boolean 值，只需要 128MB 的内存，下面既是一个占用了 256MB 的用户性别的判断逻辑，可以涵盖长度为 10 亿的 ID。

static BitSet missSet = new BitSet(010_000_000_000);
static BitSet sexSet = new BitSet(010_000_000_000);
String getSex(int userId) {
    boolean notMiss = missSet.get(userId);
    if (!notMiss) {
        //lazy fetch
        String lazySex = dao.getSex(userId);
        missSet.set(userId, true);
        sexSet.set(userId, "female".equals(lazySex));
    }
    return sexSet.get(userId) ? "female" : "male";
}

这些数据，放在堆内内存中，还是过大了。幸运的是，Redis 也支持 Bitmap 结构，如果内存有压力，我们可以把这个结构放到 Redis 中，判断逻辑也是类似的。

再插一道面试算法题：给出一个 1GB 内存的机器，提供 60亿 int 数据，如何快速判断有哪些数据是重复的？

大家可以类比思考一下。Bitmap 是一个比较底层的结构，在它之上还有一个叫作布隆过滤器的结构（Bloom Filter），布隆过滤器可以判断一个值不存在，或者可能存在。

如图，它相比较 Bitmap，它多了一层 hash 算法。既然是 hash 算法，就会有冲突，所以有可能有多个值落在同一个 bit 上。它不像 HashMap一样，使用链表或者红黑树来处理冲突，而是直接将这个hash槽重复使用。从这个特性我们能够看出，布隆过滤器能够明确表示一个值不在集合中，但无法判断一个值确切的在集合中。

Guava 中有一个 BloomFilter 的类，可以方便地实现相关功能。

上面这种优化方式，本质上也是把大对象变成小对象的方式，在软件设计中有很多类似的思路。比如像一篇新发布的文章，频繁用到的是摘要数据，就不需要把整个文章内容都查询出来；用户的 feed 信息，也只需要保证可见信息的速度，而把完整信息存放在速度较慢的大型存储里。

数据的冷热分离

数据除了横向的结构纬度，还有一个纵向的时间维度，对时间维度的优化，最有效的方式就是冷热分离。

所谓热数据，就是靠近用户的，被频繁使用的数据；而冷数据是那些访问频率非常低，年代非常久远的数据。

同一句复杂的 SQL，运行在几千万的数据表上，和运行在几百万的数据表上，前者的效果肯定是很差的。所以，虽然你的系统刚开始上线时速度很快，但随着时间的推移，数据量的增加，就会渐渐变得很慢。

冷热分离是把数据分成两份，如下图，一般都会保持一份全量数据，用来做一些耗时的统计操作。

由于冷热分离在工作中经常遇到，所以面试官会频繁问到数据冷热分离的方案。下面简单介绍三种：

数据双写

把对冷热库的插入、更新、删除操作，全部放在一个统一的事务里面。由于热库（比如 MySQL）和冷库（比如 Hbase）的类型不同，这个事务大概率会是分布式事务。在项目初期，这种方式是可行的，但如果是改造一些遗留系统，分布式事务基本上是改不动的，我通常会把这种方案直接废弃掉。

写入 MQ 分发

通过 MQ 的发布订阅功能，在进行数据操作的时候，先不落库，而是发送到 MQ 中。单独启动消费进程，将 MQ 中的数据分别落到冷库、热库中。使用这种方式改造的业务，逻辑非常清晰，结构也比较优雅。像订单这种结构比较清晰、对顺序性要求较低的系统，就可以采用 MQ 分发的方式。但如果你的数据库实体量非常大，用这种方式就要考虑程序的复杂性了。

使用 Binlog 同步

针对 MySQL，就可以采用 Binlog 的方式进行同步，使用 Canal 组件，可持续获取最新的 Binlog 数据，结合 MQ，可以将数据同步到其他的数据源中。

思维发散

对于结果集的操作，我们可以再发散一下思维。可以将一个简单冗余的结果集，改造成复杂高效的数据结构。这个复杂的数据结构可以代理我们的请求，有效地转移耗时操作。

比如，我们常用的数据库索引，就是一种对数据的重新组织、加速。B+ tree 可以有效地减少数据库与磁盘交互的次数，它通过类似 B+ tree 的数据结构，将最常用的数据进行索引，存储在有限的存储空间中。

还有就是，在 RPC 中常用的序列化。有的服务是采用的 SOAP 协议的 WebService，它是基于 XML 的一种协议，内容大传输慢，效率低下。现在的 Web 服务中，大多数是使用 json 数据进行交互的，json 的效率相比 SOAP 就更高一些。

另外，大家应该都听过 google 的 protobuf，由于它是二进制协议，而且对数据进行了压缩，性能是非常优越的。protobuf 对数据压缩后，大小只有 json 的 1/10，xml 的 1/20，但是性能却提高了 5-100 倍。

protobuf 的设计是值得借鉴的，它通过 tag|leng|value 三段对数据进行了非常紧凑的处理，解析和传输速度都特别快。

小结

最后总结一下本文的内容重点：

首先，我们看了比较老的 JDK 版本中，String 为了复用引起的内容泄漏问题，所以我们平常的编码中，一定要注意大对象的回收，及时切断与它的联系。

接下来，我们看了 Java 中集合的一些扩容操作，如果你知道确切的集合大小，就可以指定一个初始值，避免耗时的扩容操作。

针对大对象，我们有结构纬度的优化和时间维度的优化两种方法：

从结构纬度来说，通过把对象切分成合适的粒度，可以把操作集中在小数据结构上，减少时间处理成本；通过把对象进行压缩、转换，或者提取热点数据，就可以避免大对象的存储和传输成本。

从时间纬度来说，就可以通过冷热分离的手段，将常用的数据存放在高速设备中，减少数据处理的集合，加快处理速度。

到现在为止，我们学习了缓冲、缓存、对象池化、结果缓存池、大对象处理等优化性能的手段，由于它们都加入了额外的中间层，会使得编程模型变得复杂。

到此这篇关于详解处理Java中的大对象的方法的文章就介绍到这了,更多相关Java大对象内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！