改進(jìn)對(duì)象管理方式提高程序性能

2019-11-18 12:12:35

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供稿：網(wǎng)友

　　一、java的內(nèi)存治理
　　對(duì)象是功能強(qiáng)大的軟件構(gòu)造模塊，在 Java中它們有著極其廣泛的應(yīng)用。實(shí)際上，由于對(duì)象的應(yīng)用是如此廣泛，開(kāi)發(fā)者有時(shí)忘記了創(chuàng)建對(duì)象所要付出的代價(jià)，結(jié)果就導(dǎo)致程序進(jìn)入了“對(duì)象攪拌器”（Object Churn）狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，處理器的大部分時(shí)間消耗在周而復(fù)始的創(chuàng)建對(duì)象和回收被廢棄對(duì)象的操作中。
　　對(duì)于熟悉C/C++的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，內(nèi)存治理方面的簡(jiǎn)化是Java重要的特點(diǎn)。與C/C++要求程序顯式地分配和釋放內(nèi)存相反，Java答應(yīng)開(kāi)發(fā)者根據(jù)需要為對(duì)象分配空間，并確保當(dāng)程序不再需要對(duì)象時(shí)，對(duì)象占用的空間會(huì)被JVM回收。這些工作都在后臺(tái)的垃圾回收進(jìn)程中進(jìn)行。
　　在編程語(yǔ)言中，用垃圾收集機(jī)制來(lái)治理內(nèi)存可以回溯到計(jì)算機(jī)剛剛誕生的二十世紀(jì)六十年代。無(wú)論具體情形如何，垃圾收集的基本原理都是一樣的：先標(biāo)識(shí)出那些程序不再使用的對(duì)象，然后回收這些對(duì)象占用的內(nèi)存。
　　一般地，JVM利用一種“可到達(dá)性”（Reachability）算法標(biāo)識(shí)正在使用的對(duì)象，然后回收所有其余的對(duì)象。這個(gè)過(guò)程從一組程序直接使用的變量開(kāi)始，包括每一個(gè)活動(dòng)線程的局部變量、方法調(diào)用堆棧上的參數(shù)變量以及已裝入類的靜態(tài)變量所引用的對(duì)象。所有上述幾類變量所引用的對(duì)象都被加入到“可到達(dá)”對(duì)象集合。接著，這些對(duì)象的成員變量所引用的每一個(gè)對(duì)象也被加入到可到達(dá)對(duì)象集合。這個(gè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行直至結(jié)束；結(jié)束時(shí)，可到達(dá)對(duì)象集合中的任意對(duì)象所引用的每一個(gè)對(duì)象都已經(jīng)在可到達(dá)集合中。所有不在可到達(dá)對(duì)象集合中的對(duì)象都被認(rèn)為已經(jīng)廢棄不用，也就是可以安全地回收。
　　通常，Java的垃圾收集過(guò)程無(wú)需開(kāi)發(fā)者干預(yù)。JVM周期性地運(yùn)行垃圾收集過(guò)程，或者是當(dāng)程序的線程因?yàn)榈却獠渴录源饝?yīng)垃圾收集過(guò)程運(yùn)行；或者是當(dāng)程序創(chuàng)建新對(duì)象時(shí)內(nèi)存不足，因而必須運(yùn)行垃圾收集過(guò)程。盡管垃圾收集是自動(dòng)進(jìn)行的，但了解這一過(guò)程是很重要的，因?yàn)槔占瘜⒄加煤艽笠徊糠諮ava程序的開(kāi)銷。
　　除了垃圾收集的時(shí)間開(kāi)銷之外，Java中的對(duì)象還會(huì)產(chǎn)生大量的空間開(kāi)銷。對(duì)于每一個(gè)已分配的對(duì)象，JVM將加上必要的內(nèi)部信息以便垃圾收集過(guò)程順利進(jìn)行。另外，JVM還要加入一些Java語(yǔ)言規(guī)范所要求的信息，這些信息對(duì)于某些功能來(lái)說(shuō)是必不可少的，比如在任意對(duì)象上同步的功能。假如把JVM內(nèi)部為每一個(gè)對(duì)象分配的空間計(jì)入對(duì)象的占用空間，則小型Java對(duì)象要比C/C++中等價(jià)的對(duì)象大得多。下面的表格顯示了幾種不同JVM下一些簡(jiǎn)單對(duì)象的內(nèi)存占用情況，其中“內(nèi)容”列顯示用戶可訪問(wèn)內(nèi)容的大小，其余各列顯示不同JVM下對(duì)象實(shí)際占用的內(nèi)存大小，從該表可以看出JVM額外增加的內(nèi)存開(kāi)銷。
　　改進(jìn)對(duì)象治理方式提高程序性能

　　上面的空間開(kāi)銷是單個(gè)對(duì)象的值，因此，對(duì)于大對(duì)象來(lái)說(shuō)空間開(kāi)銷的百分比將下降。假如程序使用了大量的小型對(duì)象，可能使性能變得很糟糕。
　　
　　二、盡量使用基本數(shù)據(jù)類型
　　
　　在Java程序中，減少對(duì)象創(chuàng)建操作最簡(jiǎn)單的策略或許就是盡可能地使用基本數(shù)據(jù)類型。然而，這個(gè)策略可適用的場(chǎng)合并不是很多，許多時(shí)候?qū)ο笥谐渥愕睦碛沙蔀槭走x的數(shù)據(jù)格式，簡(jiǎn)單地用基本數(shù)據(jù)類型來(lái)替換對(duì)象不能滿足設(shè)計(jì)要求。但是，在確實(shí)適用該策略的場(chǎng)合，它可以減少大量的開(kāi)銷。
　　Java的基本數(shù)據(jù)類型包括boolean、byte、char、double、float、int、long和short。使用基本數(shù)據(jù)類型的變量不會(huì)產(chǎn)生創(chuàng)建對(duì)象的開(kāi)銷，用完之后也不需要進(jìn)行垃圾收集。對(duì)于局部方法變量，JVM將直接在堆棧分配變量空間；對(duì)于成員變量，JVM在對(duì)象使用的空間為變量分配空間。
　　Java為每一種基本數(shù)據(jù)類型定義了相應(yīng)的封裝類。封裝類代表的是和基本數(shù)據(jù)類型值對(duì)應(yīng)但不可變的值，使得基本數(shù)據(jù)類型的值可以作為對(duì)象處理；使用java.util.Vector、java.util.Stack、java.util.Hashtable等工具類時(shí)，這種對(duì)象非常有用。但除了這些非凡情況之外，應(yīng)當(dāng)避免使用封裝類，盡量使用基本數(shù)據(jù)類型，避免創(chuàng)建對(duì)象所需要的內(nèi)存和時(shí)間開(kāi)銷。
　　
　　除了標(biāo)準(zhǔn)的封裝類值外，Java類庫(kù)中還有一些類是在基本類型的基礎(chǔ)上加上一層新的語(yǔ)義和行為，java.util.Date和java.awt.Point都屬于這類例子。在大量應(yīng)用這類值的場(chǎng)合，存儲(chǔ)和傳遞對(duì)應(yīng)的基本類型值（只在必要的時(shí)候才把它們轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的對(duì)象）能夠減少不必要的對(duì)象創(chuàng)建操作。例如，對(duì)于Point類，我們可以直接訪問(wèn)Point內(nèi)部的int值，或者把它們組合成一個(gè)long值使得方法調(diào)用只需返回一個(gè)基本類型的值。下面是一個(gè)計(jì)算中點(diǎn)的例子：
　　...
　　// 用long值表示Point的例子。
　　　// 每一個(gè)long值的高位包含x坐標(biāo)，
　　　// 低位包含y坐標(biāo)
　　　public long midpoint(long a, long b) {
　　　　　// 計(jì)算每一個(gè)坐標(biāo)上的中值
　　　　　int x = (int) (((a >> 32) + (b >> 32)) / 2);
　　　　　int y = ((int) a + (int) b) / 2;
　　　　　// 返回中點(diǎn)
　　　return (x << 32) + y;
　　　}
　　　...　
　　三、專用對(duì)象重用
　　減少對(duì)象創(chuàng)建操作的另一途徑是重用對(duì)象。被重用的對(duì)象可能是專門用于某一特定用途，也可能在不同的時(shí)刻用于不同的目的，因此，重用對(duì)象主要包括兩種變化形式：專用對(duì)象重用，具有簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)；自由緩沖池重用，具有最好的對(duì)象重用效果。
　　最簡(jiǎn)單的對(duì)象重用情況是，一個(gè)頻繁執(zhí)行的任務(wù)需要一個(gè)或者多個(gè)起輔助作用的對(duì)象。許多應(yīng)用經(jīng)常進(jìn)行日期格式化操作，下面我們就以此為例討論專用對(duì)象重用。要從一個(gè)指定的日期值（按照前面盡量使用基本數(shù)據(jù)類型的要求，這個(gè)值是long類型）生成默認(rèn)的字符串表示形式，我們可以：
　　　...
　　// 生成時(shí)間的默認(rèn)字符串表示形式
　　long time = ...;
　　String display = DateFormat.getDateInstance().format(new Date(time));
　　...　
　　這個(gè)語(yǔ)句看起來(lái)很簡(jiǎn)單，實(shí)際上卻進(jìn)行了大量復(fù)雜的對(duì)象創(chuàng)建操作。DateFormat.getDateInstance()調(diào)用創(chuàng)建了一個(gè)新的SimpleDateFormat實(shí)例，后者又要?jiǎng)?chuàng)建一系列相關(guān)的對(duì)象；然后，format調(diào)用又要?jiǎng)?chuàng)建新的StringBuffer和FieldPosition對(duì)象。在JRE 1.2.2和Windows 98下，這個(gè)簡(jiǎn)單的語(yǔ)句實(shí)際分配的內(nèi)存多達(dá)2400字節(jié)。假如這個(gè)語(yǔ)句需要頻繁地執(zhí)行，臨時(shí)生成和丟棄的對(duì)象數(shù)量是相當(dāng)可觀的。
　　3.1 私有的對(duì)象
　　改進(jìn)的方法是預(yù)先（一次性地）創(chuàng)建進(jìn)行格式化所需要的對(duì)象，這組對(duì)象由使用它們的代碼所擁有（專用），然后在需要時(shí)重用這些對(duì)象。例如，假如我們通過(guò)實(shí)例變量實(shí)現(xiàn)該方案，使得容器類的每一個(gè)實(shí)例擁有這些對(duì)象的唯一一份拷貝，修改后的代碼如下：...
　　// 以成員變量的形式分配專用的日期格式化對(duì)象
　　　PRivate final Date convertDate = new Date();
　　　private final DateFormat convertFormat = DateFormat.getDateInstance();
　　　private final StringBuffer convertBuffer = new StringBuffer();
　　　private final FieldPosition convertField = new FieldPosition(0);
　　　...
　　 // 生成指定日期的默認(rèn)字符串表示形式
　　　　　long time = ...;
　　convertDate.setTime(time);
　　 convertBuffer.setLength(0);
　　　　　StringBuffer output =
　　　　　　　dateFormatter.format(convertDate, convertBuffer, convertField);
　　　　　String display = output.toString();
　　　　　...　
　　這個(gè)代碼片斷顯然要比原先的代碼長(zhǎng)，但在每次執(zhí)行時(shí)只需創(chuàng)建一個(gè)輸出的字符串對(duì)象，因而速度要快得多。簡(jiǎn)單的測(cè)試表明，改進(jìn)后的代碼100000次迭代只需8秒，而原來(lái)代碼的相應(yīng)時(shí)間則為50秒。由于用來(lái)格式化的對(duì)象并未在一次使用后馬上釋放，所以改進(jìn)后的代碼占用了更多的內(nèi)存（或占用時(shí)間更長(zhǎng)），但假如代碼執(zhí)行非常頻繁，這個(gè)代價(jià)仍是非常合算的。
　　值得指出的是，假如在一個(gè)執(zhí)行大量迭代的方法之內(nèi)有一個(gè)內(nèi)部循環(huán)，上面討論的技術(shù)同樣有用。我們不一定要把循環(huán)內(nèi)用到的對(duì)象轉(zhuǎn)移到包含該方法的類之內(nèi)，而是可以把這些對(duì)象的創(chuàng)建操作移到循環(huán)之外，使得創(chuàng)建操作只執(zhí)行一次。按照這種思想，代碼可以為：
　　 // 分配循環(huán)內(nèi)要用到的對(duì)象
　　 Date date = new Date();
　　　　　DateFormat formatter = DateFormat.getDateInstance();
　　　　　StringBuffer buffer= new StringBuffer();
　　　　　FieldPosition field = new FieldPosition(0);
　　　　　// 執(zhí)行循環(huán)
　　　　　for (...) {
　　　　　　　// 生成指定時(shí)間的字符串表示形式
　　　　　　　long time = ...;
　　　　　　　date.setTime(time);
　　　　　　　buffer.setLength(0);
　　　　　　　StringBuffer output = formatter.format(date, buffer, field);
　　　　　　　String display = output.toString();
　　　　　}　
　　結(jié)合前面介紹的用基本類型值替代相應(yīng)對(duì)象類型值技術(shù)，這種專用對(duì)象重用技術(shù)的效果更好。專用對(duì)象可以從基本類型值實(shí)例化然后傳遞給Java標(biāo)準(zhǔn)類庫(kù)中要求對(duì)象作為參數(shù)類型的方法。上面的專用Date對(duì)象就是一個(gè)很好的例子。
　　3.2 多個(gè)線程公用的私有對(duì)象
　　假設(shè)我們有一組私有的對(duì)象，有多個(gè)線程并發(fā)地執(zhí)行使用這些對(duì)象的代碼，因此必須避免不同的線程操作這些對(duì)象可能引起的沖突。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)最簡(jiǎn)單的方法是指定其中一個(gè)對(duì)象作為整組對(duì)象的鎖，把使用這些對(duì)象的代碼封裝在一個(gè)在鎖對(duì)象上同步的塊中。盡管每次使用私有對(duì)象時(shí)都會(huì)增加加鎖操作的開(kāi)銷，但和創(chuàng)建對(duì)象的時(shí)間相比，加鎖操作的開(kāi)銷較小。
　　假定以convertDate對(duì)象作為鎖，則使用這些對(duì)象的代碼應(yīng)該改為：　　　　 // 獲得私有對(duì)象的使用

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