第 7 周 听说你有好几个线程

性能测试

性能测试

性能测试是性能优化的前提和基础，也是性能优化结果的检查和度量标准。不同视角下 的网站性能有不同的标准，也有不同的优化手段。

• 主观视角：用户感受到的性能

• 客观视角：性能指标衡量的性能

性能测试指标

不同视角下有不同的性能标准，不同的标准有不同的性能测试指标，网站性能测试的主 要指标有响应时间、并发数、吞吐量、性能计数器等。

响应时间

指应用系统从发出请求开始到收到最后响应数据所需要的时间。响应时间是 系统最重要的性能指标，直观的反映了系统的“快慢” 。

并发数

系统能够同时处理请求的数目，这个数字也反映了系统的负载特性。对于网站 而言，并发数即系统并发用户数，指同时提交请求的用户数目，于此相对应，还有在线 用户数（当前登录系统的用户数）和系统用户数（可能访问系统的总用户数）。

吞吐量

指单位时间内系统处理的请求的数量，体现件系统的处理能力。对于网站，可 以用“请求数/秒”或是“页面数/秒”来衡量，也可以用“访问人数/天”或是“处理的 业务数/小时”等来衡量。

TPS（每秒事务数）也是吞吐量的一个指标，此外还有HPS（每秒HTTP请求数） QPS（每秒查询数）等。

性能计数器

是描述服务器或操作系统性能的一些数据指标。包括 System Load、对象 与线程数、内存使用、CPU 使用、磁盘与网络 I/O 等指标。这些指标也是系统监控的重 要参数，对这些指标设置报警阀值，当监控系统发现性能计数器超过阀值的时候，就向 运维和开发人员报警，及时发现处理系统异常。

计算

吞吐量 = ( 1000 / 响应时间ms ) × 并发数

性能测试方法

性能测试是一个总称，具体可细分为性能测试、负载测试、压力测试、稳定性测试。

性能测试

以系统设计初期规划的性能指标为预期目标，对系统不断施加压力，验证系 统在资源可接受范围内，是否能达到性能预期。

负载测试

对系统不断地增加并发请求以增加系统压力，直到系统的某项或多项性能指 标达到安全临界值，如某种资源已经呈饱和状态，这时候继续对系统施加压力，系统的 处理能力不但不能提高，反而会下降。

压力测试

超过安全负载的情况下，对系统继续施加压力，直到系统崩溃或不能再处理 任何请求，以此获得系统最大压力承受能力。

稳定性测试

被测试系统在特定硬件、软件、网络环境条件下，给系统加载一定业务压 力，使系统运行一段较长时间，以此检测系统是否稳定。在生产环境，请求压力是不均 匀的，呈波浪特性，因此为了更好地模拟生产环境，稳定性测试也应不均匀地对系统施 加压力。



全链路压测

全链路压测其实指的就是在特定的业务场景下，将相关的链路完整的串联起来同时施压， 尽可能模拟出真实的用户行为，当系统整站流量都被打上来的时候，必定会暴露出性能 瓶颈，才能够探测出系统整体的真实处理能力，以及有指导的在大促前进行容量规划和 性能优化，这便是线上实施全链路压测的真正目的。

全链路压测的挑战

• 压测相关的业务系统上众多，并且牵涉到整条链路上所有的基础设施和中间件，如何 确保压测流量能够通畅无阻，没有死角？压测的数据怎么构造（亿万级的商品和用 户），数据模型如何与真实贴近？

• 全链路压测直接在线上的真实环境进行模拟，怎么样来保障对线上无影响？

• 大型促销活动所带来的巨大流量要怎么样制作出来？

数据构造

数据隔离

逻辑隔离，直接把测试数据和正常数据写到一起，通过特殊的标识能够区分开。

• 可能污染线上数据，破坏线上数据安全性。

虚拟隔离，在所有写数据的地方做 mock，并不真正的写进去。

• 这个方案不会对线上产生污染，但是 mock 对压测结果的准确性会产生干扰。

物理隔离，所有写数据的地方对压测流量进行识别，判断一旦是压测流量的写，就写到 隔离的位置，包括存储、缓存、搜索引擎等等。

流量构造

全链路压测平台化

性能优化

软件性能优化的两个基本原则

• 你不能优化一个没有测试的软件

• 你不能优化一个你不了解的软件

性能测试的主要指标

• 响应时间：完成一次任务花费的时间

• 并发数：同时处理的任务数

• 吞吐量：单位时间完成的任务数

• 性能计数器：System Load，线程数，进程数，CPU、内存、磁盘、网络使用率

性能优化的一般方法

• 性能测试，获得性能指标

• 指标分析，发现性能与资源瓶颈点

• 架构与代码分析，寻找性能与资源瓶颈关键所在

• 架构与代码优化，优化关键技术点，平衡资源利用

• 性能测试，进入性能优化闭环

系统性能优化的分层思想

• 机房与骨干网络性能优化

• 服务器与硬件性能优化

• 操作系统性能优化

• 虚拟机性能优化

• 基础组件性能优化

• 软件架构性能优化

• 软件代码性能优化

软件架构性能优化三板斧

• 缓存

• 异步

• 集群

缓存

• 从内存获取数据，减少响应时间

• 减少数据库访问，降低存储设备负载压力

• 缓存结果对象，而不是原始数据，减少 CPU 计算

• 缓存主要优化读操作

异步

• 即时响应，更好的用户体验

• 控制消费速度，合适的负载压力

• 异步主要优化写操作



集群

互联网技术的发展路径就是：更多的用户访问需要消耗更多的计算资源，单一服务器计 算资源的增加是有极限的，所以需要增加更多的服务器。关键是如何利用起来这些服务 器。

集群的技术目标只有一个：如何使很多台服务器对使用者而言看起像一台服务器。

软件代码性能优化

• 遵循面向对象的设计原则与设计模式编程，很多时候程序性能不好不是因为性能上有什 么技术挑战，仅仅就是因为代码太烂了。

• 并发编程，多线程与锁

• 资源复用，线程池与对象池

• 异步编程，生产者消费者

• 数据结构，数组、链表、hash 表、树

操作系统

程序运行时架构

• 程序是静态的

• 程序运行起来以后，被称作进程。

操作系统多任务运行环境

计算机的 CPU 核心数是有限的。但是，服务器可以同时处理数以百计甚至数以千计的并 发用户请求。

• 进程分时执行



进程的运行期状态

运行：当一个进程在 CPU 上运行时，则称该进程处于运行状态。处于运行状态的进程的 数目小于等于 CPU 的数目。

就绪：当一个进程获得了除 CPU 以外的一切所需资源，只要得到 CPU 即可运行，则称 此进程处于就绪状态，就绪状态有时候也被称为等待运行状态。

阻塞：也称为等待或睡眠状态，当一个进程正在等待某一事件发生（例如等待 I/O 完成， 等待锁……）而暂时停止运行，这时即使把 CPU 分配给进程也无法运行，故称该进程 处于阻塞状态。

进程 VS 线程

不同进程轮流在 CPU 上执行，每次都要进行进程间 CPU 切换，代价非常大。因此服务 器应用通常是单进程多线程。

进程从操作系统获得基本的内存空间，所有的线程共享着进程的内存地址空间。而每个 线程也会拥有自己私有的内存地址范围，其他线程不能访问。

线程栈



void f(){
	int x = g(1);
	x++; //g 函数返回，当前堆栈顶部为f函数栈帧，在当前栈帧继续执行f函数的代码。
}
int g(int x){
	return x + 1;
}



Java Web 应用多线程运行时视图

java org.apache.catalina.startup.Bootstrap "$@" start

线程安全

当某些代码修改内存堆（进程共享内存）里的数据的时候，如果有多个线程在同时执行， 就可能会出现同时修改数据的情况，比如，两个线程同时对一个堆中的数据执行 +1 操 作，最终这个数据只会被加一次，这就是人们常说的线程安全问题，实际上线程的结果 应该是依次加一，即最终的结果应该是 +2。

临界区

多个线程访问共享资源的这段代码被称为临界区，解决线程安全问题的主要方法是使用 锁，将临界区的代码加锁，只有获得锁的线程才能执行临界区代码。

lock.lock(); // 线程获得锁
i++; // 临界区代码，i位于堆中
lock.unlock(); // 线程释放锁

阻塞导致高并发系统崩溃

锁（I/O）会引起线程阻塞。阻塞导致线程既不能继续执行，也不能释放资源。进而导致 资源耗尽。最终导致系统崩溃。

避免阻塞引起的崩溃

• 限流：控制进入计算机的请求数，进而减少创建的线程数。

• 降级：关闭部分功能程序的执行，尽早释放线程。

• 反应式：异步；无临界区（Actor 模型）

锁

锁原语 CAS

CAS（V,E,N）

• V 表示要更新的变量

• E 表示预期值

• N 表示新值

如果 V 值等于 E 值，则将 V 的值设为 N，若 V 值和E值不同，什么都不做。

CAS 是一种系统原语，原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断。

偏向锁 轻量级锁 重量级锁

偏向锁：指一段同步代码一直被一个线程所访问，那么该线程会自动获取锁，降低获取 锁的代价

轻量级锁：指当锁是偏向锁时，被另一个线程所访问，偏向锁就会升级为轻量级锁，其 他线程会通过自旋的形式尝试获取锁，不会阻塞，提高性能

重量级锁：指当锁是轻量级锁时，另一个线程虽然自旋，但自旋不会一直持续下去，当 自旋到一定次数时，还没获取到锁，就会进入阻塞，该锁膨胀为重量级锁，重量级锁会 让其他申请的线程进入阻塞，性能降低

总线锁与缓存锁

总线锁：使用处理器的 LOCK# 信号，当一个处理器在内存总线上输出此信号的时候， 其他处理器的请求将被阻塞，该处理器独占内存。

缓存锁：是指内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中，并且在 Lock 操作期间被锁定， 那么当它执行锁操作回写到内存时，处理器不在总线上声言 LOCK# 信号，而是修改内 部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性，因为缓存一致性机制 会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据，当其他处理器回写已被锁定的 缓存行数据时，会使缓存行无效。

公平锁 非公平锁

公平锁就是多个线程按照申请锁的顺序来获取锁的。

非公平锁就是多个线程获取锁的顺序并不是按照申请锁的顺序，有可能后申请的线程比 先申请的线程优先获取锁，可能会造成饥饿现象。

可重入锁

可重入锁就是说某个线程已经获得某个锁，可以再次获取锁而不会出现死锁。

独享锁/互斥锁 共享锁 读写锁

独享锁/互斥锁：该锁一次只能被一个线程所持有

共享锁：该锁可以被多个线程所持有

读写锁：多个读线程之间并不互斥，而写线程则要求与任何线程互斥

乐观锁 悲观锁

悲观锁认为对于同一个数据的并发操作，一定是会发生修改的，哪怕没有修改，也会认 为修改。因此对于同一个数据的并发操作，悲观锁采取加锁的形式。悲观的认为，不加 锁的并发操作一定会出问题。

乐观锁则认为对于同一个数据的并发操作，是不会发生修改的。在更新数据的时候，检 查是否已经被修改过，如果修改过，就放弃。

分段锁

分段锁的设计目的是细化锁的粒度，当操作不需要更新整个数组的时候，就仅仅针对数 组的一段进行加锁操作。

• JDK ConcurrentHashMap 是通过分段锁的形式来实现高效并发操作的。

自旋锁

自旋锁是指尝试获取锁的线程不会立即阻塞，而是采用循环的方式去尝试获取锁，这样 的好处是减少线程上下文切换的消耗，缺点是循环会消耗 CPU。