初探性能優化：2個月到4小時的性能提升

一直不知道性能優化都要做些什麼，從哪方面思考，直到最近接手了一個公司的小項目，可謂麻雀雖小五臟俱全。讓我這個編程小白學到了很多性能優化的知識，或者說一些思考方式。真的感受到任何一點效率的損失放大一定倍數時，將會是天文數字。最初我的程序計算下來需要跑2個月才能跑完，經過2周不斷地調整架構和細節，將性能提升到了4小時完成。

很多心得體會，希望和大家分享，也希望多多批評指正，共同進步。

項目描述

我將公司的項目內容抽象，大概是要做這樣一件事情。

1. 數據庫A中有2000萬條用戶數據
2. 將數據庫A中的用戶讀出，爲每條用戶生成guid，並保存到數據庫B中
3. 同時在數據庫A中生成關聯表

 

 

 

項目要求爲：

1. 將用戶存入數據庫B的過程需要調用sdk的註冊接口，不允許直接操作jdbc進行插入
2. 數據要求可恢復：再次運行要跳過已成功的數據；出錯的數據要進行持久化以便下次可以選擇恢復該部分數據
3. 數據要保證一致性：在不出錯的情況下，數據庫B的用戶必然一一對應數據庫A的關聯表。如果出錯，那麼正確的數據加上記錄下來的出錯數據後要保證一致性。
4. 速度要儘可能塊：共2000萬條數據，在保證正確性的前提下，至多一天內完成

第一版，面向過程——2個月

特徵：面向過程、單一線程、不可拓展、極度耦合、逐條插入、數據不可恢復

 

最初的一版簡直是匯聚了一個項目的所有缺點。整個流程就是從A庫讀出一條數據，立刻做處理，然後調用接口插入B庫，然後在拼一個關聯表的sql語句，插入A庫。沒有計數器，沒有錯誤信息處理。這樣下來的代碼最終預測2000萬條數據要處理2個月。如果中間哪怕一條數據出錯，又要重新再來2個月。簡直可怕。

這個流程圖就等同於廢話，是完全基於面向過程的思想，整個代碼就是在一個大main方法裏寫的，實際業務流程完全等同於代碼的流程。思考起來簡單，但實現和維護起來極爲困難，代碼結構冗長混亂。而且幾乎是不可擴展的。暫且不談代碼的設計美觀，它的效率如此低下主要有一下幾點：

1. 每一條數據的速度受制於整個鏈條中最慢的一環。試想假如有一條A庫插入關聯表的數據卡住了，等待將近1分鐘（誇張了點），那這一分鐘jvm完全就在傻等，它完全可以繼續進行之前的兩步。正如你等待雞蛋煮熟的過程中可以同時去做其他的事一樣。
2. 向B庫插入用戶需要調用sdk（HTTP請求）接口，那每一次調用都需要建立連接，等待響應，再釋放鏈接。正如你要給朋友送一箱蘋果，你分成100次每次只送一個，時間全搭載路上了。

第二版，面向對象——21天

特徵：面向對象、單一線程、可拓展、略微耦合、批量插入、數據可恢復

 

架構設計

根據第一版設計的問題，第二版有了一些改進。當然最明顯的就是從面向過程的思想轉變爲面向對象。

我將整個過程抽離出來，分配給不同的對象去處理。這樣，我所分配的對象時這樣的：

1. 一個配置對象：BatchStrategy。負責從配置文件中讀取本次任務的策略並傳遞給執行者，配置包括基礎配置如總條數，每次批量查詢的數量，每次批量插入的數量。還有一些數據源方面的，如來源表的表名、列名、等，這樣如果換成其他數據庫的類似導入，就能供通過配置進行拓展了。
2. 三個執行者：整個執行過程可以分成三個部分：讀數據--處理數據--寫數據，可以分別交給三個對象Reader，Processor，Writer進行。這樣如果某一處邏輯變了，可以單獨進行改變而不影響其他環節。
3. 一個失敗數據處理類：ErrorHandler。這樣每當有數據出現異常時，便把改數據扔給這個類，在這給類中進行寫入日誌，或者其他的處理辦法。在一定程度上將失敗數據的處理解耦。

這種設計很大程度上解除了耦合，尤其是失敗數據的處理基本上完全解耦。但由於整個執行過程仍然是需要有一個main來分別調用三個對象處理任務，因此三者之間還是沒有完全解耦，main部分的邏輯依然是面向過程的思想，比較複雜。即使把main中執行的邏輯抽出一個service，這個問題依然沒有解決。

效率問題

由於將第一版的逐條插入改爲批量插入。其中sdk接口部分是批量傳入一組數據，減少了http請求的次數。生成關聯表的部分是用了jdbc batch操作，將之前逐條插入的excute改爲excuteBatch，效率提升很明顯。這兩部分批量帶來的效率提升，將原本需要兩個月時間的代碼，提升到了21天，但依然是天文數字。

可以看出，本次效率提升僅僅是在減少http請求次數，優化sql的插入邏輯方面做出來努力，但依然沒有解決第一版的一個致命問題，就是一次循環的速度依然受制於整個鏈條中最慢的一環，三者沒有解耦也可以從這一點看出，在其他兩者沒有將工作做完時，就只能傻等，這是效率損失最嚴重的地方了。

第三版，完全解耦（隊列+多線程）——3天

特徵：面向對象、多線程、可拓展、完全解耦、批量插入、數據可恢復

 

架構設計

該版並沒有代碼實現，但確是過度到下一版的重要思考過程，故記錄在次。這一版本較上一版的重大改進之處有兩點：隊列和多線程。

隊列：其中隊列的使用使上一版未完全解耦的執行類之間，實現了完全解耦，將同步過程變爲異步，同時也是多線程能夠使用的前提。Reader做的事就是讀取數據，並放入隊列，至於它的下一個環節Processor如何處理隊列的數據，它完全不用理會，這時便可以繼續讀取數據。這便做到了完全解耦，處理隊列的數據也能夠使用多線程了。

多線程：Processor和Writer所做的事情，就是讀取自身隊列中的數據，然後處理。只不過Processor比Writer還承擔了一個往下一環隊列裏放數據的過程。此處的隊列用的是多線程安全隊列ConcurrentLinkedQueue。因此可以肆無忌憚地使用多線程來執行這兩者的任務。由於各個環節之間的完全解耦，某一環上的偶爾卡主並不再影響整個過程的進度，所以效率提升不知一兩點。

還有一點就是數據的可恢復性在這個設計中有了保障，成功過的用戶被保存起來以便再次運行不會衝突，失敗的關聯表數據也被記錄下來，在下次運行時Writer會先將這一部分加入到自己的隊列裏，整個數據的正確性就有了一個不是特別完善的方案，效率也有了可觀的提升。

效率問題

雖然效率從21天提升到了3天，但我們還要思考一些問題。實際在執行的過程中發現，Writer所完成的數據總是緊跟在Processor之後。這就說明Processor的處理速度要慢於Writer，因爲Processor插入數據庫之前還要走一段註冊用戶的業務邏輯。

這就有個問題，當上一環的速度慢過下一環時，還有必要進行批量的操作麼？答案是不需要的。試想一下，如果你在生產線上，你的上一環2秒鐘處理一個零件，而你的速度是1秒鐘一個。這時即使你的批量處理速度更快，從系統最優的角度考慮，你也應該來一個零件就馬上處理，而不是等積攢到100個再批量處理。

還有一個問題是，我們從未考慮過Reader的性能。實際上我用的是limit操作來批量讀取數據庫，而mysql的limit是先全表查再截取，當起始位置很大時，就會越來越慢。0-1000萬還算輕鬆，但1000萬到2000萬簡直是「寸步難行」。所以最終效率的瓶頸反而落到了讀庫操作上。

第四版，高度抽象（一鍵啓動）——4小時

特徵：面向接口、多線程、可拓展、完全解耦、批量或逐條插入、數據可恢復、優化查詢的limit操作

架構的思考

優雅的代碼應該是整潔而美妙，不應是冗長而複雜的。這一版將會設計出簡潔度如第一版，而性能和拓展性超越所有版本的架構。

通過總結前三版特徵，我發現不論是Reader，Processor，Writer，都有共同的特徵：啓動任務、處理任務、結束任務。而Reader和Processor又有一個共同的可以向下一道工序傳遞數據，通知下一道工序數據傳遞結束的功能。

他們就像生產線上的一個個工序，相互關聯而又各自獨立地運行着。每一道工序都可以啓動，瘋狂地處理任務，直到上一道工序通知結束爲止。而第一個發起通知結束的便是Reader，之後便一個通知下一個，直到整個工序停止，這個過程就是美妙的。

 

因此我們可以將這三者都看做是Job，除了Reader外又都有與上一道工序交互的能力（其實Reader的上一道工序就是數據庫），因此便有了如下的接口設計。

 

/**
 * 工作步驟接口.
 */
public interface Job {
 void init();
 void start();
 void stop();
 void finish();
}

 

/**
 * 可交互的（傳入，通知結束）.
 */
public interface Interactive<T> {
 /**
 * 開放與外界交互的通道
 */
 void openInteract();
 /**
 * 接收外界傳來的數據
 * @param t
 */
 void receive(T t);
 /**
 * 關閉交互的通道
 */
 void closeInteract();
 /**
 * 是否處於可交互的狀態
 * @return true可交互的 false不可交互的活已關閉交互狀態
 */
 boolean isInteractive();
}

有了這樣的接口設計，不論實現類具體怎麼寫，主方法已經可以寫出了，變得異常整潔有序。

只提煉主幹部分，去掉了一些細枝末節，如日誌輸出、時間記錄等。

public static void main(String[] args) {
 Job reader = Reader.getInstance();
 Job processor = Processor.getInstance();
 Job writer = Writer.getInstance();
 reader.init();
 processor.init();
 writer.init();
 start(reader, processor, processor, processor, writer, writer);
}
private static void start(Job... jobs){
 for (Job job:jobs) {
 Thread thread = new Thread(new Runnable() {
 @Override
 public void run() {
 job.start();
 }
 });
 thread.start();
 }
}

接下來就是具體實現類的問題了，這裏實現類主要實現的是三個功能：

1. 接收上一環的數據：屬於Interactive接口的receive方法的實現，基於之前的設計，即是對象中有一個ConcurrentLinkedQueue類型的屬性，用來接收上一環傳來的數據。
2. 處理數據並傳遞給下一環：在每一個（有下一環的）對象屬性中，放入下一環的對象。如Reader中要有Processor對象，Processor要有Writer，一旦有數據需要加入下一環的隊列，調用其receiive方法即可。
3. 告訴下一環我結束了：本任務結束時，調用下一環對象的closeInteractive方法。而每個對象判斷自身結束的方法視情況而定，比如Reader結束的條件是批量讀取的數據超過了一開始設置的total，說明數據讀取完畢，可以結束。而Processor結束的條件是，它被上一環通知了結束，並且從自己的隊列中poll不出東西了，證明應該結束，結束後再通知下一環節。這樣整個工序就安全有序地退出了。不過由於是多線程，所以Processor不能貿然通知Writer結束信號，需要在Processor內部弄一個計數器，只有計數器達到預期的數量的那個線程的Processor，才能發起結束通知。

效率問題：

正如上一版提出的，Processor的處理速度要慢於Writer，所以Writer並不需要用batch去處理數據的插入，該成逐條插入反而是提高性能的一種方式。

大數據量limit操作十分耗時，由於測試部分只是在前幾百萬條測試，所以還是大大低估了效率的損失。在後幾百萬條可以說每一次limit的讀取都寸步難行。考慮到這個問題，我選去了唯一一個有索引並且稍稍易於排序的字段「用戶的手機號」，（不想吐槽它們設計表的時候居然沒有自增id。。。），每次全表將手機號排序，再limit查詢。

查詢之後將最後一條的手機號保存起來，成爲當前讀取的最後一條數據的一個標識。下次再limit操作就可以從這個手機號之後開始查詢了。這樣每次查詢不論從哪裏開始，速度都是一樣的。雖然前面部分的數據速度與之前的方案相比慢了不少，但卻完美解決了大數據量limit操作的超長等待時間，預防了危險的發生。

至此，項目架構再次簡潔起來，但同第一版相比，已經不是同一級別的簡潔了。

 

關於繼續優化的思考

1. Reader部分是單線程在處理，由於讀取是從數據庫中，並不是隊列中，因此設計成多線程有些麻煩，但並不是不可，這裏是優化點
2. 日誌部分佔有很大一部分比例，2000萬條讀、處理、寫就要有至少6000萬次日誌輸出。如果設計成異步處理，效率會提升不少。
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