Рекомендации по созданию масштабируемых высокопроизводительных приложений Java

Обзор

Одним из наиболее часто используемых языков для создания приложений корпоративного уровня является Java. Тем не менее создание масштабируемых и быстрых приложений Java может быть затруднено. Среди передовых методов, которые разработчики могут использовать для повышения скорости и масштабируемости своих Java-приложений, — создание пула соединений, эффективные структуры данных, отказ от создания объектов, многопоточность, кэширование, асинхронное программирование, правильная обработка исключений и эффективная сборка мусора. Придерживаясь этих рекомендаций, программисты могут убедиться, что их Java-приложения работают быстро, масштабируются в соответствии с растущими потребностями бизнеса и предлагают лучший пользовательский интерфейс. В этой статье дается общий обзор лучших практик, которые можно использовать для создания масштабируемых и высокопроизводительных Java-приложений.

Причины плохой работы приложений

Хотя существует множество причин, по которым приложение работает плохо, лишь некоторые из них являются основными. Конечно, плохая конструкция и плохой код — первые две причины. Иногда компьютер не понимает, чего вы пытаетесь достичь. Вместо этого он просто выполняет данные ему команды. Распространенной причиной, помимо алгоритмических ошибок и ошибок кодирования, является нехватка ресурсов. Вот несколько типичных причин, по которым приложения работают плохо:

  • Недостаточно аппаратных ресурсов: проблемы с производительностью могут возникнуть, если приложение использует аппаратное обеспечение с недостаточным объемом оперативной памяти или вычислительной мощности.
  • Сетевая задержка. Сетевая задержка может привести к задержкам в передаче данных, что может привести к медленному отклику приложения. Это может произойти из-за более медленных сетевых подключений, перегруженных сетей или больших расстояний между клиентом и сервером.
  • Неэффективные алгоритмы или код. Неэффективные алгоритмы или код могут негативно сказаться на производительности приложения. Плохо оптимизированный код приложения может привести к увеличению времени отклика и снижению пропускной способности.
  • Утечки памяти: когда приложение пренебрегает освобождением памяти, которая больше не нужна, происходят утечки памяти. Утечки памяти могут привести к тому, что приложение со временем будет использовать все больше и больше памяти, что может повлиять на производительность.
  • Пользовательская нагрузка. Высокая пользовательская нагрузка может повлиять на производительность приложения. Программа может иметь задержку времени реакции и более низкую пропускную способность, если она не предназначена для управления большими пользовательскими нагрузками.
  • Плохо оптимизированные запросы к базе данных или задержка отклика базы данных также могут повлиять на производительность приложения.
  • Функции безопасности. Некоторые функции безопасности, такие как шифрование, могут увеличить нагрузку и повлиять на скорость работы приложения. Очень важно найти баланс между производительностью приложений и требованиями безопасности.
  • Службы, предоставляемые третьими лицами. Если приложение зависит от служб, предоставляемых третьими сторонами, таких как API или веб-службы, проблемы с производительностью этих служб могут повлиять на производительность программы в целом.

Рекомендуемые методы создания масштабируемых высокопроизводительных приложений Java.

Рекомендуемые методы создания масштабируемых высокопроизводительных приложений Java:

1. Техника объединения соединений

Одним из методов повышения производительности приложений, управляемых базой данных, является создание пула соединений. Каждый запрос к базе данных в приложениях, управляемых базой данных, требует установления нового соединения. Для каждого запроса может потребоваться новое подключение, что может занять много времени и отрицательно сказаться на производительности приложения.

Создание пула установленных соединений, которые могут использоваться несколькими запросами, позволяет решить эту проблему. Менеджер пула соединений наблюдает за пулом и отвечает за установление, поддержку и удаление соединений по мере необходимости.

Диспетчер пула соединений определяет, доступны ли какие-либо соединения в пуле, прежде чем делать новый запрос к базе данных. Менеджер назначает соединение, если оно доступно, запросу. Менеджер создает новое соединение и назначает его запросу, если нет открытых соединений.

Вместо закрытия после завершения запроса соединение возвращается в пул. Впоследствии соединение становится доступным для дальнейших запросов со стороны управления пулом соединений.

Используя различные библиотеки, такие как Apache Commons DBCP, C3P0 и HikariCP, можно создать пул соединений.

2. Используйте кэширование для повышения производительности

Один из лучших способов сделать Java-приложения более эффективными — кэширование. Объединение нескольких вызовов и функций в один повторно используемый ресурс — основная идея кэширования. Несмотря на то, что кэширование может принимать самые разные формы, технология баз данных обычно приходит на ум, когда люди слышат словосочетание «кэширование».

Данные базы данных, а также многочисленные подключения к базе данных, которые в противном случае могли бы замедлить работу приложения, могут кэшироваться локально для экономии полосы пропускания. Помните, однако, что кеширование не должно использоваться чрезмерно. Естественно предположить, что все должно быть закэшировано на случай, если вам понадобится снова использовать его в ближайшее время. Однако, чтобы получить прирост производительности, вы должны убедиться, что данных и подключений, которые вы кэшируете, достаточно много. Вы можете ускорить время отклика вашего приложения, кэшируя меньше дорогостоящих действий или запросов к базе данных. Ваше приложение может использовать библиотеки, такие как Ehcache или Guava Cache, для реализации кэширования.

3. Асинхронное программирование

Асинхронное программирование — это метод программирования, который позволяет приложениям выполнять несколько задач одновременно, что повышает их производительность и скорость отклика. Асинхронное программирование обычно выполняется с помощью обратных вызовов или обещаний. Обратный вызов — это функция, которая вызывается, когда задача завершена, тогда как обещание — это объект, представляющий задачу, которая может быть выполнена или не выполнена. Когда обещание завершено, оно возвращает значение, которое могут использовать другие задачи.

Для реализации асинхронного программирования в вашем приложении вы можете использовать такие библиотеки, как CompletableFuture или ReactiveX.

Класс CompletableFuture, добавленный в Java 8, позволяет реализовать асинхронное программирование на Java. Чтобы выполнять действия асинхронно, разработчики могут использовать CompletableFuture для создания будущего, представляющего результат задачи. Затем другие задачи могут получить будущее и продолжить работу, пока исходное задание все еще выполняется.

4. Правильная обработка исключений

На производительность и надежность приложения может существенно повлиять управление исключениями, важнейший компонент разработки Java. Процесс выявления и реагирования на ошибки или необычные обстоятельства, возникающие во время выполнения программы, называется обработкой исключений.

Виртуальная машина Java (JVM) генерирует исключение, когда происходит ошибка, которую приложение может поймать и обработать. Неправильная обработка исключений может привести к сбоям, повреждению данных и другим серьезным проблемам.

Если это не сделано правильно, обработка исключений может повлиять на скорость работы вашей программы. Чтобы предотвратить ненужные накладные расходы, обработка исключений должна выполняться эффективно. Для регистрации исключений вы можете использовать инфраструктуру регистрации, например Log4j или SLF4J.

5. Эффективная сборка мусора

Автоматическое освобождение памяти, которая больше не используется, возможно благодаря сборке мусора, которая является важнейшим компонентом управления памятью в Java. Объекты создаются в Java в куче, которой управляет виртуальная машина Java (JVM), которая также отвечает за освобождение памяти, которая больше не требуется.

Чтобы максимизировать производительность для конкретных приложений, JVM предлагает множество настроек сборки мусора. Чтобы определить наилучшую настройку для своего приложения, разработчикам следует поэкспериментировать с различными вариантами. Даже если они больше не требуются, ненужные ссылки на объекты могут предотвратить сборку мусора. Сохранение ссылок на объекты должно быть ограничено временем, которое необходимо, по мнению разработчиков. Это делает Java одним из наиболее предпочтительных языков для использования. Даже разработчики предполагают, что если вы хотите освоить веб-приложения, в частности разработку полного стека, вам следует освоить Java.

Если сборка мусора не реализована должным образом, это может отрицательно сказаться на производительности вашего приложения. Вы можете воспользоваться сборщиком мусора G1, который обеспечивает высокую пропускную способность и малое время паузы.

6. Многопоточность

Способность программы одновременно запускать множество потоков или процессов называется многопоточностью. Многопоточность достигается в Java путем создания и управления множеством потоков внутри одного процесса. Используя многопоточность, программисты могут создавать параллельные программы, которые могут выполнять несколько действий одновременно, повышая скорость отклика и производительность. Используя системные ресурсы, многопоточность может помочь вашей программе работать более плавно. Однако реализация многопоточности может быть сложной и может привести к взаимоблокировкам и состояниям гонки. Используйте такие фреймворки, как Executor Framework или Fork/Join Framework, чтобы обойти эти проблемы.

7. Эффективные структуры данных

Создание масштабируемых и высокопроизводительных программ на Java требует использования эффективных структур данных. Разработчики могут создавать приложения, оптимизированные с точки зрения производительности и масштабируемости, используя соответствующую структуру данных для задачи, коллекции из Java Collections Framework, примитивные типы, когда это необходимо, неизменяемые объекты, кэширование часто используемых данных, и параллельные структуры данных.

Выбор структуры данных может значительно повлиять на производительность вашего приложения. Скорость вашего приложения можно увеличить, переключившись с LinkedList или Hashtable на более эффективные структуры данных, такие как ArrayList или HashMap.

ConcurrentHashMap и ParallelArray являются примерами параллельных структур данных, которые можно использовать для эффективного параллельного выполнения операций с огромными наборами данных, повышая производительность на многоядерных машинах.

8. Избегайте создания объектов

Использование ключевого слова «new» для создания нового экземпляра класса называется созданием экземпляра объекта. Хотя создание экземпляров объектов требуется для создания новых объектов и выделения памяти, иногда это может быть узким местом в производительности. Разработчикам Java следует подумать о внедрении пула объектов, при котором объекты используются повторно, а не многократно генерируются и уничтожаются.

Объединение объектов в пул может повысить производительность и масштабируемость за счет снижения нагрузки, связанной с выделением памяти и сбором мусора. Разработчики также могут повторно использовать объекты и сократить количество ненужных экземпляров объектов, используя шаблоны проектирования, такие как шаблон Singleton или подход Flyweight. Наконец, вместо создания объектов и управления ими разработчики могут захотеть использовать другие структуры данных, такие как массивы или примитивные типы.

Заключение

Для создания масштабируемых и высокопроизводительных программ Java требуется сочетание надежных методов проектирования и реализации. Для разработки масштабируемых и высокопроизводительных приложений Java необходимо помнить о следующих моментах:

  1. Используйте пул соединений, чтобы повторно использовать уже установленные соединения, а не устанавливать новые для каждого запроса.
  2. Реализуйте многопоточность, чтобы максимально использовать ресурсы, доступные в системе.
  3. Используйте эффективные структуры данных: чтобы повысить производительность, выберите соответствующие структуры данных.
  4. Используйте шаблоны проектирования для повторного использования существующих объектов, а не для создания новых экземпляров, чтобы избежать создания экземпляров объектов.
  5. Реализуйте кэширование, чтобы уменьшить количество дорогостоящих действий или операций поиска в базе данных.
  6. Используйте правильную обработку исключений: чтобы уменьшить ненужные накладные расходы, обрабатывайте исключения быстро.
  7. Позвольте системе выполнять другие операции, пока она ожидает ответа, используя асинхронное программирование.
  8. Используйте эффективную сборку мусора. Чтобы эффективно управлять памятью, выберите эффективный сборщик мусора.
  9. Подумайте о том, чтобы пройти полный курс для разработчиков, чтобы узнать больше о разработке и внедрении высокопроизводительных приложений Java для всего стека технологий.

Крайне важно иметь в виду, что эти процедуры не являются всеобъемлющими, и могут быть другие соображения, которые необходимо учитывать в зависимости от конкретных требований вашего приложения.