34、Java异常处理与性能优化全解析

Java异常处理与性能优化全解析

1. Java异常处理

在Java编程中，异常处理是确保程序健壮性的关键部分。以下是一些关于异常处理的重要内容。

1.1 使用异常处理

在数据库操作中，异常处理尤为重要。以下是一个从数据库获取所有产品信息的示例代码：

ResultSet resultSet = null;
try {
    c = dbPool.getConnection();
    s = c.createStatement();
    resultSet = s.executeQuery(SQL_ALL_PRODUCTS);
    while (resultSet.next()) {
        Product p = new Product();
        p.setId(resultSet.getInt("ID"));
        p.setName(resultSet.getString("NAME"));
        p.setPrice(resultSet.getDouble("PRICE"));
        productList.add(p);
    }
} catch (SQLException sqlx) {
    throw new RuntimeException(sqlx.getMessage());
} finally {
    try {
        dbPool.release(c);
        resultSet.close();
        s.close();
    } catch (SQLException ignored) {
    }
}
return productList;

在这段代码中， try 块负责执行数据库查询操作，将查询结果封装成 Product 对象并添加到 productList 中。如果在操作过程中发生 SQLException ，会在 catch 块中捕获并抛出一个 RuntimeException 。 finally 块用于确保数据库连接、语句和结果集被正确关闭，即使在发生异常的情况下也能执行。

1.2 空的catch块

有些Java开发者为了让代码通过编译而创建空的 catch 块，这是不可取的。因为这样会导致检查异常被抛出后又被吞噬，应用程序可能会在一个完全不相关的地方崩溃，难以追踪原始错误。不过，在某些情况下，空的 catch 块是合理的。例如，在 finally 块中关闭数据库语句和结果集时， close() 方法会抛出 SQLException 。此时，最坏的情况是语句已经关闭，因此可以使用空的 catch 块。为了避免写注释说明“我不是偷懒，这个 catch 块是有意留空的”，可以将 catch 块中的实例变量命名为 ignored ，这是一种自文档化的技术。

1.3 重抛异常

在某些情况下，捕获异常后可能需要将其重新抛出，以便上层调用者处理。例如，在上述代码中，捕获 SQLException 后抛出 RuntimeException 。

1.4 重定向到错误JSP

JSP提供了一个很好的自动功能，即可以将一个页面标记为应用程序的通用错误页面。如果其他JSP中出现未处理的异常，用户会自动重定向到源页面顶部指定的错误页面。错误页面可以访问一个特殊的隐式异常对象，从而显示合理的错误消息。在构建Model 2应用程序时，控制器不会自动转发到错误页面，但可以手动转发并利用隐式异常对象。以下是一个示例代码：

try {
    orderDb.addOrder(sc, user, order);
} catch (SQLException sqlx) {
    request.setAttribute(
        "javax.servlet.jsp.jspException", sqlx);
    dispatcher = request.getRequestDispatcher("/SQLErrorPage.jsp");
    dispatcher.forward(request, response);
    return;
}

JSP错误页面会查找名为 javax.servlet.jsp.jspException 的请求属性来填充隐式异常对象。这种方法可以在整个应用程序中统一处理通用错误。如果需要对应用程序级别的异常处理有更多控制，可以编写自己的控制器/视图对来通用地处理异常。

1.5 框架中的异常

Model 2框架的异常处理代码通常遵循前面提到的准则。实体通常抛出领域异常，边界类和其他基础设施类通常抛出技术异常。在这两种情况下，控制器是处理异常的地方。框架本身也经常抛出异常，这些异常属于技术异常，最好在控制器或控制器代理类（如 Action 类）中处理。在尝试模仿桌面应用程序事件驱动性质的两个框架中，处理异常更加困难。桌面应用程序中的异常代表一种状态，其传播取决于当前调用栈。在Web应用程序中模拟这种调用栈状态要困难得多，因为用户总是看到一个完全展开的调用栈。Tapestry有很好的机制来模仿事件驱动行为和处理异常，而InternetBeans Express由于对其所使用的组件使用了较薄的封装，使得人工异常状态管理更加困难。

1.6 异常处理总结

构建可用的Web应用程序通常涉及控制器、模型和视图三个部分，它们共同协作提供有吸引力的应用程序。Model 2应用程序的灵活性使得实现复杂的用户需求变得容易，但保持应用程序的良好分区和各部分的分离需要付出努力，从长远来看，这将带来易于维护和可扩展的应用程序。

2. 性能优化

性能是任何Web应用程序的关键部分。在Web项目的设计和架构阶段早期考虑性能比在传统应用程序中更为重要。由于Web应用程序的分布式性质，在事后提高性能可能更加困难，特别是在应用程序设计不佳的情况下。以下是关于性能优化的详细内容。

2.1 性能分析

要确定应用程序的效率，需要进行客观测量。通过测量内存使用和其他特征，可以客观地了解应用程序，并确定应该在哪里投入精力进行改进。在处理各种基础设施元素时，客观测量也很重要，可以避免组织中常见的互相指责，开始解决真正的潜在问题。

2.2 测量内存

优化应用程序内存的第一步是测量它。然而，由于Java虚拟机（JVM）测量内存的方式，很难确定应用程序实际使用的内存量。JVM管理自己的内存堆，与底层操作系统分离。大多数虚拟机设计为根据应用程序的需要从操作系统分配内存，直到在虚拟机启动时指定的最大值。可以使用 -Xmx 标志指定虚拟机允许分配的最大内存，使用 -Xms 标志指定虚拟机启动时的初始堆大小。使用操作系统提供的工具只能看到分配给虚拟机的内存，而不是应用程序当前使用的内存。例如，Windows任务管理器显示的是分配给Tomcat的内存，而不是应用程序使用的内存。

可以使用Java的 Runtime 类来获取虚拟机的内存信息，该类有几个与内存相关的方法，如下表所示：
| 方法 | 描述 |
| — | — |
| freeMemory() | 返回虚拟机中的空闲内存量 |
| totalMemory() | 返回虚拟机中的总内存量 |
| maxMemory() | 返回虚拟机将尝试使用的最大内存量 |

要使用这些方法，需要在应用程序中编写代码定期对内存进行“快照”并生成统计信息。可以选择将内存信息输出到控制台窗口，或者使用日志记录工具。

2.3 性能分析工具

除了内存，还有其他资源值得测量，如CPU周期消耗、网络吞吐量等。有一些工具可以帮助测量这些元素，其中包括软件开发工具包（SDK）中内置的内存分析器。

• 使用SDK分析器 ：可以使用 -Xrunhprof 命令行开关激活虚拟机的内存分析器。该开关有多种配置选项，可以使用 -Xrunhprof:help 命令查看所有选项。例如：

java –Xrunhprof:cpu=samples,heap=sites,file=c:/temp/java.hprof.txt

这个命令指定了内存堆信息按站点组织，并将输出发送到指定的文件。内置的分析器使用方法采样技术进行内存分析，即定期（频繁）对调用栈进行快照。分析器生成一个大的文本文件 java.hprof.txt ，文件按不同的部分组织，每个部分包含特定类型的分析信息，如下表所示：
| 部分 | 描述 |
| — | — |
| THREAD START / END | 标记每个线程生命周期的开始和结束 |
| TRACE | 一系列截断的Java堆栈跟踪（条目数量由命令行选项控制），每个跟踪都有编号，分析文件中可能包含数百或数千个跟踪 |
| HEAP DUMP | 当前在堆上分配的所有活动对象的完整快照 |
| SITES | 所有分配站点和生成它们的跟踪的排序列表 |
| CPU SAMPLES | 程序执行的统计分析，由虚拟机定期快照生成，由跟踪组成，排名靠前的跟踪是程序中的热点 |
| CPU TIME | 测量特定方法花费的时间，由其跟踪标识 |
| MONITOR TIME | 测量监视器线程等待进入方法时引起的线程争用 |
| MONITOR DUMP | 系统中所有监视器和线程的完整快照 |

分析这个大文件的最佳方法是使用一个部分的信息来发现另一个部分中需要的信息。以下是从分析输出中获取有用信息的步骤：
1. 使用 CPU SAMPLES 部分找出哪些方法花费的时间最多。
2. 找到该条目的 TRACE 信息。
3. 参考 TRACE 部分，了解正在调用的方法以及是否可以对其进行优化。
4. 对合理数量的 CPU SAMPLES 重复上述步骤。

要使用分析器与所选的Servlet引擎配合使用，需要修改Servlet引擎的启动命令以包含分析器命令行。例如，修改启动Tomcat的批处理文件 catalina.bat ，添加分析器开关，并创建一个新的启动文件 catalina_prof.bat ，以便可以轻松切换是否使用分析器。

以下是一个分析结果的示例，通过查看 CPU_SAMPLES 的最后一个条目，可以看到 StringBuffer 的 expandCapacity() 方法使用的执行时间不到1%，并且与跟踪178相关联。在 TRACE 部分搜索跟踪178，可以看到其堆栈跟踪：

TRACE 178:
      java.lang.StringBuffer.expandCapacity(StringBuffer.java:202)
      java.lang.StringBuffer.append(StringBuffer.java:392)
      java.util.zip.ZipFile.getEntry(ZipFile.java:148)
      java.util.jar.JarFile.getEntry(JarFile.java:184)

通过跟踪发现， ZipFile 的 getEntry() 方法调用了 StringBuffer 的 expandCapacity() 方法，该方法在应用程序中占用了相对较多的时间。

在分析结果时，需要运用逻辑和推理。例如，在运行应用程序时，大部分时间Tomcat在管理Web存档（WAR）文件的扩展，因此 ZipFile 类占用了大量处理器时间，这可能是一个假象。此外，分析结果可能与Servlet引擎的代码交织在一起，需要过滤结果以关注可以改进的代码。

2.4 使用商业分析器

SDK生成的分析输出虽然有用，但分析这个大量的文本文件很耗时，且结果是纯文本格式，难以图形化查看。许多商业分析器可供Java应用程序和Web应用程序使用，这些工具相对容易设置，并且大多数可以很好地集成到商业（和一些开源）集成开发环境（IDE）中。它们通常提供内存分配和CPU使用的实时分析，并提供图形和其他便利功能。

例如，Borland的Optimizeit分析器涵盖了SDK的所有分析功能，还能生成实时图形来显示应用程序的分析特征。它提供了多种视图，如显示VM堆、垃圾收集器活动、线程数量和当前加载的类数量等信息。此外，Optimizeit还提供了CPU分析信息，使用与SDK分析器相同的CPU采样技术。与SDK分析器不同的是，Optimizeit的 Filters 文本字段允许过滤信息，只显示需要的类，方便快速定位需要优化的代码。

通过以上对异常处理和性能优化的介绍，可以更好地构建健壮、高效的Web应用程序。在实际开发中，合理运用异常处理机制可以提高程序的稳定性，而通过性能分析和优化可以提升应用程序的响应速度和资源利用率。

下面是一个简单的mermaid流程图，展示了使用SDK分析器的流程：

graph LR
    A[启动应用程序并使用分析器] --> B[生成分析文件]
    B --> C[分析文件包含多个部分]
    C --> D[使用CPU SAMPLES找出耗时方法]
    D --> E[查找对应TRACE信息]
    E --> F[参考TRACE部分进行优化分析]

同时，为了更清晰地展示异常处理和性能优化的主要内容，我们可以列出以下要点：
1. 异常处理
- 正确使用 try-catch-finally 结构
- 避免不必要的空 catch 块
- 合理重抛异常
- 利用JSP错误页面统一处理异常
2. 性能优化
- 测量内存使用
- 使用分析器找出性能瓶颈
- 运用商业分析器提高分析效率

通过这些方法和工具，可以不断改进应用程序的质量和性能。

Java异常处理与性能优化全解析

3. 内存管理与性能优化

内存管理在Java应用程序的性能优化中起着至关重要的作用。合理地管理内存可以减少内存泄漏，提高应用程序的响应速度和稳定性。

3.1 Java虚拟机内存管理机制

Java虚拟机（JVM）有自己独立的内存管理体系，它从操作系统分配内存并维护自己的堆。在启动JVM时，可以通过 -Xmx 和 -Xms 参数分别设置最大堆内存和初始堆内存大小。例如：

java –Xmx128m –Xms64m <other options>

这意味着JVM启动时初始堆大小为64MB，最大可分配到128MB。但使用操作系统工具只能看到分配给JVM的内存，无法得知应用程序实际使用的内存量。

为了更准确地了解应用程序的内存使用情况，可以使用 Runtime 类的相关方法，如下表所示：
| 方法 | 描述 |
| — | — |
| freeMemory() | 返回虚拟机中的空闲内存量 |
| totalMemory() | 返回虚拟机中的总内存量 |
| maxMemory() | 返回虚拟机将尝试使用的最大内存量 |

可以编写代码定期调用这些方法来获取内存的“快照”，示例代码如下：

Runtime runtime = Runtime.getRuntime();
long freeMemory = runtime.freeMemory();
long totalMemory = runtime.totalMemory();
long maxMemory = runtime.maxMemory();
System.out.println("Free Memory: " + freeMemory);
System.out.println("Total Memory: " + totalMemory);
System.out.println("Max Memory: " + maxMemory);

3.2 内存泄漏与避免

内存泄漏是指程序中一些对象不再被使用，但由于某些原因无法被垃圾回收器回收，导致内存占用不断增加。常见的内存泄漏场景包括：
- 静态集合类 ：静态集合类中的对象会一直被引用，不会被垃圾回收。例如：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class MemoryLeakExample {
    private static List<Object> staticList = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            Object obj = new Object();
            staticList.add(obj);
        }
        // 即使不再使用这些对象，它们也不会被回收
    }
}

• 未关闭的资源 ：如数据库连接、文件流等，如果没有正确关闭，会导致资源泄漏。例如：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class ResourceLeakExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt");
            // 使用文件流
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 没有关闭文件流，会导致资源泄漏
    }
}

为了避免内存泄漏，需要注意以下几点：
- 及时释放不再使用的对象引用。
- 确保资源在使用完毕后正确关闭，可以使用 try-with-resources 语句来自动关闭资源。例如：

import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;

public class ResourceManagementExample {
    public static void main(String[] args) {
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream("test.txt")) {
            // 使用文件流
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        // 文件流会自动关闭
    }
}

4. 应用程序的可扩展性设计

在构建Web应用程序时，可扩展性是一个重要的考虑因素。一个具有良好可扩展性的应用程序能够更好地应对不断增长的用户需求和数据量。

4.1 设计原则

为了实现应用程序的可扩展性，需要遵循以下设计原则：
- 模块化设计 ：将应用程序拆分成多个独立的模块，每个模块负责特定的功能。这样可以方便地对模块进行修改和扩展，而不会影响其他模块。例如，将用户管理、订单管理、商品管理等功能分别封装成不同的模块。
- 松耦合 ：模块之间的耦合度要尽可能低，通过接口进行交互。这样可以降低模块之间的依赖关系，提高代码的可维护性和可扩展性。例如，使用依赖注入的方式来实现模块之间的协作。
- 分层架构 ：采用分层架构，如MVC（Model-View-Controller）或MVVM（Model-View-ViewModel）架构，将应用程序分为不同的层次，每个层次负责不同的职责。例如，将业务逻辑、数据访问和用户界面分离，便于独立开发和维护。

4.2 企业级JavaBean（EJB）

企业级JavaBean（EJB）是Java平台上用于构建企业级应用程序的一种技术，它提供了一种分布式、可扩展的组件模型。EJB可以帮助开发人员更轻松地实现事务管理、安全管理和并发控制等功能。

以下是一个简单的EJB示例：

import javax.ejb.Stateless;

@Stateless
public class HelloEJB {
    public String sayHello() {
        return "Hello, EJB!";
    }
}

在使用EJB时，需要注意以下几点：
- EJB容器负责管理EJB的生命周期和资源，开发人员只需要关注业务逻辑的实现。
- EJB可以通过远程接口进行远程调用，实现分布式应用程序的开发。
- EJB提供了事务管理功能，可以确保数据的一致性和完整性。

4.3 连接池技术

连接池是一种提高应用程序性能和可扩展性的重要技术。在Web应用程序中，数据库连接的创建和销毁是一个开销较大的操作。使用连接池可以避免频繁地创建和销毁数据库连接，提高应用程序的响应速度。

以下是一个简单的数据库连接池示例：

import java.sql.Connection;
import java.sql.DriverManager;
import java.sql.SQLException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ConnectionPool {
    private static final int POOL_SIZE = 10;
    private static List<Connection> pool = new ArrayList<>();

    static {
        try {
            for (int i = 0; i < POOL_SIZE; i++) {
                Connection conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/test", "root", "password");
                pool.add(conn);
            }
        } catch (SQLException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static Connection getConnection() {
        if (!pool.isEmpty()) {
            return pool.remove(0);
        }
        return null;
    }

    public static void releaseConnection(Connection conn) {
        pool.add(conn);
    }
}

使用连接池的步骤如下：
1. 初始化连接池，创建一定数量的数据库连接并放入池中。
2. 当需要使用数据库连接时，从连接池中获取连接。
3. 使用完毕后，将连接释放回连接池。

5. 总结

通过对Java异常处理和性能优化的全面介绍，我们了解到异常处理是确保程序健壮性的关键，而性能优化则是提高应用程序响应速度和可扩展性的重要手段。

在异常处理方面，要正确使用 try-catch-finally 结构，避免不必要的空 catch 块，合理重抛异常，并利用JSP错误页面统一处理异常。在性能优化方面，需要测量内存使用，使用分析器找出性能瓶颈，运用商业分析器提高分析效率，同时注意内存管理和应用程序的可扩展性设计。

以下是一个mermaid流程图，展示了构建高性能Web应用程序的整体流程：

graph LR
    A[需求分析] --> B[架构设计]
    B --> C[异常处理设计]
    B --> D[性能优化设计]
    C --> E[编码实现]
    D --> E
    E --> F[测试与调试]
    F --> G[部署上线]
    G --> H[持续监控与优化]

同时，为了方便回顾，我们列出以下要点总结：
1. 异常处理
- 遵循异常处理准则，确保程序稳定性
- 利用JSP错误页面统一处理异常
2. 性能优化
- 测量内存使用，找出性能瓶颈
- 避免内存泄漏，合理管理资源
3. 可扩展性设计
- 采用模块化、松耦合和分层架构
- 利用EJB和连接池技术提高可扩展性

通过合理运用这些技术和方法，可以构建出健壮、高效、可扩展的Web应用程序，满足不断变化的用户需求。