如何解决高 Java CPU 使用率问题

运行时性能问题的首要指标之一是来自 JVM 分析器或 JAVA 监控工具的高 Java CPU 使用率报告。但是，windows 和 linux 上的高 Java CPU 利用率问题并不总是容易解决。

例如，如果应用程序过度分配实例，当对象引用超出范围时，垃圾收集器 (GC) 将被迫采取行动。越来越频繁的 GC 周期不仅会触发 JVM stop-the-world 事件，使应用程序看起来没有响应，而且还会导致 Java CPU 使用率飙升。GC 问题的纠正与实现更高效的算法或逻辑工作流无关。解决方法是解决底层对象分配问题，即低效使用内存并触发不必要的 GC。

Java CPU 指标可能会产生误导

具有争用问题的阻塞线程也可能导致 JVM 分析器工具报告 100% 的 Java CPU 利用率。并发问题和死锁并不是真正的处理器问题，而是线程分配方式的问题，以及它们访问的方法是同步的还是阻塞的。

CPU 利用率也可能是一个误导性指标。

当 CPU 处于空闲状态时，它会将其状态报告为未使用，因为它没有做任何工作。但是，当线程被阻塞时，它们会将 CPU 置于等待状态。CPU 处于等待状态时不执行任何逻辑，但它会向 JVM 分析工具报告它很忙，尽管它什么都不做。

此外，不要仅仅因为你的硬件报告了 100% 的 CPU 利用率，就认为是 JVM 导致了它。当你的应用程序处于负载状态时，CPU 使用率可能会飙升，但该峰值可能归因于系统进程或软件堆栈的错误配置。如果服务器的虚拟内存配置错误，页面文件抖动将消耗大部分 CPU 周期。DevOps 团队或系统管理员需要解决虚拟内存问题，这不是由你的应用程序或你如何调整 JVM 性能造成的问题。

最常见的 Java 性能问题

大多数 JVM 性能问题可以追溯到 I/O 操作，例如写入文件系统或与后端关系数据库管理系统或消息队列的交互。配置错误的数据库连接池（其中不断创建和销毁资源以向 Spring 和基于 JPA 的应用程序提供 Java 数据库连接）可能会触发高 Java CPU 使用率。糟糕的 I/O 资源管理也会导致内存泄漏，以及不可避免的 OutOfMemoryError。

另一个导致 Java CPU 使用率高的误导性来源是设计不佳的 RESTful API，它对其他服务进行过多的网络调用。具有大量 HTTP 请求的聊天应用程序，以及在每个请求-响应周期中解析 JSON 和 XML 的相关开销，通常会触发 100% Java CPU 使用率报告。随着开发人员将软件单体重新架构为微服务，这个问题在现代企业架构中变得越来越普遍。

Java CPU 使用率高的外围原因

糟糕的 JVM 内存管理；

Java GC 配置不当；

更正确地归因于软件堆栈的问题；

线程同步、争用和死锁问题；

底层文件和数据库 I/O 问题。

只有在根本原因分析消除了这些问题作为高 Java CPU 使用问题的潜在原因之后，才应该花时间对代码中的潜在问题进行故障排除。

Java CPU 使用率高的直接原因

当你的 Java 代码对 CPU 造成太大压力时，罪魁祸首可能是什么？高 Java CPU 使用率问题的最常见、直接可归因的原因包括：

无限循环

无论是栅栏错误还是草率的开发，程序员开始循环并错误地编码打破它的条件并不是闻所未闻的。结果是一个除了消耗时钟周期之外什么都不做的无限循环。如果有多个线程访问这行代码，那么你的多线程应用程序只会进行无意义的迭代。消除无限循环，CPU 使用应该恢复正常。

写得不好的工作流程和算法

CPU 执行逻辑。如果应用程序包含编写不佳的工作流程，并且代码像意大利面条一样连接在一起，那么你的 CPU 将吞噬不必要的时钟周期。更新常用的工作流程并重新处理性能不佳的算法，以充分利用 CPU。

递归逻辑

虽然一些编程语言针对递归逻辑进行了优化，但 Java 不是其中之一。递归算法创建难以突破的线程，分配不易被垃圾收集算法回收的对象，并且它们创建了难以展开的 Java 堆栈框架塔。考虑到 StackOverflowError 的迫在眉睫的威胁，迭代超过递归算法的情况并不难实现。

选择不当的集合类

列表处理是大多数企业应用程序的核心。因此，开发人员有许多集合类可供选择。如果开发人员在大型数据集上选择使用 LinkedList 而不是 ArrayList，则 CPU 利用率将飙升。同样，如果开发人员选择使用旧的 Hashtable 而不是 HashMap，同步可能会不必要地消耗时钟周期。选择错误的 Java 集合类，应用程序性能将受到影响。选择正确的集合类，你的 Java CPU 使用率高的问题就会消失。

重新计算已计算的值

在整个应用程序中多次计算给定值的情况并不少见。如果是这种情况，请将第一次计算的结果保存在一个变量中，并在以后的所有交互中引用该变量。像这样的小改动会对应用程序性能产生重大影响，尤其是在涉及加密、图形操作或其他 CPU 密集型操作的情况下。

借助 Java Flight Recorder 之类的良好 JVM 分析器以及可用于检查结果的 JDK Mission Control 工具之类的分析工具，确定导致 Java CPU 使用率过高问题的罪魁祸首应该不是问题。一旦确定，找到修复只是实施新的软件例程并测试结果直到修复的问题。