Java性能優(yōu)化

2019-11-18 13:22:46

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供稿：網(wǎng)友

　　java語(yǔ)言非凡強(qiáng)調(diào)準(zhǔn)確性，但可靠的行為要以性能作為代價(jià)。這一特點(diǎn)反映在自動(dòng)收集垃圾、嚴(yán)格的運(yùn)行期檢查、完整的字節(jié)碼檢查以及保守的運(yùn)行期同步等等方面。對(duì)一個(gè)解釋型的虛擬機(jī)來(lái)說(shuō)，由于目前有大量平臺(tái)可供挑選，所以進(jìn)一步阻礙了性能的發(fā)揮。
　　“先做完它，再逐步完善。幸好需要改進(jìn)的地方通常不會(huì)太多。”（Steve McConnell的《About performance》[16]）
　　本附錄的宗旨就是指導(dǎo)大家尋找和優(yōu)化“需要完善的那一部分”。
　　
　　1 基本方法
　　只有正確和完整地檢測(cè)了程序后，再可著手解決性能方面的問(wèn)題：
　　(1) 在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中檢測(cè)程序的性能。若符合要求，則目標(biāo)達(dá)到。若不符合，則轉(zhuǎn)到下一步。
　　(2) 尋找最致命的性能瓶頸。這也許要求一定的技巧，但所有努力都不會(huì)白費(fèi)。如簡(jiǎn)單地猜測(cè)瓶頸所在，并試圖進(jìn)行優(yōu)化，那么可能是白花時(shí)間。
　　(3) 運(yùn)用本附錄介紹的提速技術(shù)，然后返回步驟1。
　　
　　為使努力不至白費(fèi)，瓶頸的定位是至關(guān)重要的一環(huán)。Donald Knuth[9]曾改進(jìn)過(guò)一個(gè)程序，那個(gè)程序把50％的時(shí)間都花在約4％的代碼量上。在僅一個(gè)工作小時(shí)里，他修改了幾行代碼，使程序的執(zhí)行速度倍增。此時(shí)，若將時(shí)間繼續(xù)投入到剩余代碼的修改上，那么只會(huì)得不償失。Knuth在編程界有一句名言：“過(guò)早的優(yōu)化是一切麻煩的根源”（PRemature optimization is the root of all evil）。最明智的做法是抑制過(guò)早優(yōu)化的沖動(dòng)，因?yàn)槟菢幼隹赡苓z漏多種有用的編程技術(shù)，造成代碼更難理解和操控，并需更大的精力進(jìn)行維護(hù)。
　　
　　2 尋找瓶頸
　　為找出最影響程序性能的瓶頸，可采取下述幾種方法：
　　
　　2.1 安插自己的測(cè)試代碼
　　插入下述“顯式”計(jì)時(shí)代碼，對(duì)程序進(jìn)行評(píng)測(cè)：
　　
　　long start = System.currentTimeMillis();
　　// 要計(jì)時(shí)的運(yùn)算代碼放在這兒
　　long time = System.currentTimeMillis() - start;
　　
　　利用System.out.println()，讓一種不常用到的方法將累積時(shí)間打印到控制臺(tái)窗口。由于一旦出錯(cuò)，編譯器會(huì)將其忽略，所以可用一個(gè)“靜態(tài)最終布爾值”（Static final boolean）打開(kāi)或關(guān)閉計(jì)時(shí)，使代碼能放心留在最終發(fā)行的程序里，這樣任何時(shí)候都可以拿來(lái)應(yīng)急。盡管還可以選用更復(fù)雜的評(píng)測(cè)手段，但若僅僅為了量度一個(gè)特定任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，這無(wú)疑是最簡(jiǎn)便的方法。
　　System.currentTimeMillis()返回的時(shí)間以千分之一秒（1毫秒）為單位。然而，有些系統(tǒng)的時(shí)間精度低于1毫秒（如Windows PC），所以需要重復(fù)n次，再將總時(shí)間除以n，獲得準(zhǔn)確的時(shí)間。
　　
　　2.2 JDK性能評(píng)測(cè)[2]
　　JDK配套提供了一個(gè)內(nèi)建的評(píng)測(cè)程序，能跟蹤花在每個(gè)例程上的時(shí)間，并將評(píng)測(cè)結(jié)果寫入一個(gè)文件。不幸的是，JDK評(píng)測(cè)器并不穩(wěn)定。它在JDK 1.1.1中能正常工作，但在后續(xù)版本中卻非常不穩(wěn)定。
　　為運(yùn)行評(píng)測(cè)程序，請(qǐng)?jiān)谡{(diào)用Java解釋器的未優(yōu)化版本時(shí)加上-prof選項(xiàng)。例如：
　　java_g -prof myClass
　　或加上一個(gè)程序片（Applet）：
　　java_g -prof sun.applet.AppletViewer applet.Html
　　理解評(píng)測(cè)程序的輸出信息并不輕易。事實(shí)上，在JDK 1.0中，它居然將方法名稱截短為30字符。所以可能無(wú)法區(qū)分出某些方法。然而，若您用的平臺(tái)確實(shí)能支持-prof選項(xiàng)，那么可試試Vladimir Bulatov的“HyperPorf”[3]或者Greg White的“ProfileViewer”來(lái)解釋一下結(jié)果。
　　
　　2.3 非凡工具
　　假如想隨時(shí)跟上性能優(yōu)化工具的潮流，最好的方法就是作一些Web站點(diǎn)的常客。比如由Jonathan Hardwick制作的“Tools for Optimizing Java”（Java優(yōu)化工具）網(wǎng)站：
　　http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/tools.html
　　
　　2.4 性能評(píng)測(cè)的技巧
　　■由于評(píng)測(cè)時(shí)要用到系統(tǒng)時(shí)鐘，所以當(dāng)時(shí)不要運(yùn)行其他任何進(jìn)程或應(yīng)用程序，以免影響測(cè)試結(jié)果。
　　■如對(duì)自己的程序進(jìn)行了修改，并試圖（至少在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上）改善它的性能，那么在修改前后應(yīng)分別測(cè)試一下代碼的執(zhí)行時(shí)間。
　　■盡量在完全一致的環(huán)境中進(jìn)行每一次時(shí)間測(cè)試。
　　■假如可能，應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)不依靠任何用戶輸入的測(cè)試，避免用戶的不同反應(yīng)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)誤差。
　　
　　3 提速方法
　　現(xiàn)在，要害的性能瓶頸應(yīng)已隔離出來(lái)。接下來(lái)，可對(duì)其應(yīng)用兩種類型的優(yōu)化：常規(guī)手段以及依靠Java語(yǔ)言。
　　
　　3.1 常規(guī)手段
　　通常，一個(gè)有效的提速方法是用更現(xiàn)實(shí)的方式重新定義程序。例如，在《Programming Pearls》（編程拾貝）一書中[14]，Bentley利用了一段小說(shuō)數(shù)據(jù)描寫，它可以生成速度非常快、而且非常精簡(jiǎn)的拼寫檢查器，從而介紹了Doug McIlroy對(duì)英語(yǔ)語(yǔ)言的表述。除此以外，與其他方法相比，更好的算法也許能帶來(lái)更大的性能提升——非凡是在數(shù)據(jù)集的尺寸越來(lái)越大的時(shí)候。欲了解這些常規(guī)手段的詳情，請(qǐng)參考本附錄末尾的“一般書籍”清單。
　　
　　3.2 依靠語(yǔ)言的方法
　　為進(jìn)行客觀的分析，最好明確把握各種運(yùn)算的執(zhí)行時(shí)間。這樣一來(lái)，得到的結(jié)果可獨(dú)立于當(dāng)前使用的計(jì)算機(jī)——通過(guò)除以花在本地賦值上的時(shí)間，最后得到的就是“標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間”。
　　
　　運(yùn)算示例標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間
　　
　　本地賦值 i=n; 1.0
　　實(shí)例賦值 this.i=n; 1.2
　　int增值 i++; 1.5
　　byte增值 b++; 2.0
　　short增值 s++; 2.0
　　float增值 f++; 2.0
　　double增值 d++; 2.0
　　空循環(huán) while(true) n++; 2.0
　　三元表達(dá)式 (x<0) ?-x : x 2.2
　　算術(shù)調(diào)用 Math.abs(x); 2.5
　　數(shù)組賦值 a[0] = n; 2.7
　　long增值 l++; 3.5
　　方法調(diào)用 funct(); 5.9
　　throw或catch異常 try{ throw e; }或catch(e){} 320
　　同步方法調(diào)用 synchMehod(); 570
　　新建對(duì)象 new Object(); 980
　　新建數(shù)組 new int[10]; 3100
　　
　　通過(guò)自己的系統(tǒng)（如我的Pentium 200 Pro，Netscape 3及JDK 1.1.5），這些相對(duì)時(shí)間向大家揭示出：新建對(duì)象和數(shù)組會(huì)造成最沉重的開(kāi)銷，同步會(huì)造成比較沉重的開(kāi)銷，而一次不同步的方法調(diào)用會(huì)造成適度的開(kāi)銷。參考資源[5]和[6]為大家總結(jié)了測(cè)量用程序片的Web地址，可到自己的機(jī)器上運(yùn)行它們。
　　
　　1. 常規(guī)修改
　　下面是加快Java程序要害部分執(zhí)行速度的一些常規(guī)操作建議（注重對(duì)比修改前后的測(cè)試結(jié)果）。
　　
　　將... 修改成... 理由
　　
　　接口抽象類（只需一個(gè)父時(shí)）接口的多個(gè)繼續(xù)會(huì)妨礙性能的優(yōu)化
　　非本地或數(shù)組循環(huán)變量本地循環(huán)變量根據(jù)前表的耗時(shí)比較，一次實(shí)例整數(shù)賦值的時(shí)間是本地整數(shù)賦值時(shí)間的1.2倍，但數(shù)組賦值的時(shí)間是本地整數(shù)賦值的2.7倍
　　鏈接列表（固定尺寸）保存丟棄的鏈接項(xiàng)目，或?qū)⒘斜硖鎿Q成一個(gè)循環(huán)數(shù)組（大致知道尺寸）每新建一個(gè)對(duì)象，都相當(dāng)于本地賦值980次。參考“重復(fù)利用對(duì)象”（下一節(jié)）、Van Wyk[12] p.87以及Bentley[15] p.81
　　x/2（或2的任意次冪） X>>2（或2的任意次冪）使用更快的硬件指令
　　
　　3.3 非凡情況
　　■字串的開(kāi)銷：字串連接運(yùn)算符+看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際需要消耗大量系統(tǒng)資源。編譯器可高效地連接字串，但變量字串卻要求可觀的處理器時(shí)間。例如，假設(shè)s和t是字串變量：
　　System.out.println("heading" + s + "trailer" + t);
　　上述語(yǔ)句要求新建一個(gè)StringBuffer（字串緩沖），追加自變量，然后用toString()將結(jié)果轉(zhuǎn)換回一個(gè)字串。因此，無(wú)論磁盤空間還是處理器時(shí)間，都會(huì)受到嚴(yán)重消耗。若預(yù)備追加多個(gè)字串，則可考慮直接使用一個(gè)字串緩沖——非凡是能在一個(gè)循環(huán)里重復(fù)利用它的時(shí)候。通過(guò)在每次循環(huán)里禁止新建一個(gè)字串緩沖，可節(jié)省980單位的對(duì)象創(chuàng)建時(shí)間（如前所述）。利用substring()以及其他字串方法，可進(jìn)一步地改善性能。假如可行，字符數(shù)組的速度甚至能夠更快。也要注重由于同步的關(guān)系，所以StringTokenizer會(huì)造成較大的開(kāi)銷。
　　■同步：在JDK解釋器中，調(diào)用同步方法通常會(huì)比調(diào)用不同步方法慢10倍。經(jīng)JIT編譯器處理后，這一性能上的差距提升到50到100倍（注重前表總結(jié)的時(shí)間顯示出要慢97倍）。所以要盡可能避免使用同步方法——若不能避免，方法的同步也要比代碼塊的同步稍快一些。
　　■重復(fù)利用對(duì)象：要花很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)新建一個(gè)對(duì)象（根據(jù)前表總結(jié)的時(shí)間，對(duì)象的新建時(shí)間是賦值時(shí)間的980倍，而新建一個(gè)小數(shù)組的時(shí)間是賦值時(shí)間的3100倍）。因此，最明智的做法是保存和更新老對(duì)象的字段，而不是創(chuàng)建一個(gè)新對(duì)象。例如，不要在自己的paint()方法中新建一個(gè)Font對(duì)象。相反，應(yīng)將其聲明成實(shí)例對(duì)象，再初始化一次。在這以后，可在paint()里需要的時(shí)候隨時(shí)進(jìn)行更新。參見(jiàn)Bentley編著的《編程拾貝》，p.81[15]。
　　■異常：只有在不正常的情況下，才應(yīng)放棄異常處理模塊。什么才叫“不正常”呢？這通常是指程序碰到了問(wèn)題，而這一般是不愿見(jiàn)到的，所以性能不再成為優(yōu)先考慮的目標(biāo)。進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，將小的“try-catch”塊合并到一起。由于這些塊將代碼分割成小的、各自獨(dú)立的片斷，所以會(huì)妨礙編譯器進(jìn)行優(yōu)化。另一方面，若過(guò)份熱衷于刪除異常處理模塊，也可能造成代碼健壯程度的下降。
　　■散列處理：首先，Java 1.0和1.1的標(biāo)準(zhǔn)“散列表”（Hashtable）類需要造型以及非凡消耗系統(tǒng)資源的同步處理（570單位的賦值時(shí)間）。其次，早期的JDK庫(kù)不能自動(dòng)決定最佳的表格尺寸。最后，散列函數(shù)應(yīng)針對(duì)實(shí)際使用項(xiàng)（Key）的特征設(shè)計(jì)。考慮到所有這些原因，我們可非凡設(shè)計(jì)一個(gè)散列類，令其與特定的應(yīng)用程序配合，從而改善常規(guī)散列表的性能。注重Java 1.2集合庫(kù)的散列映射（HashMap）具有更大的靈活性，而且不會(huì)自動(dòng)同步。
　　■方法內(nèi)嵌：只有在方法屬于final（最終）、private（專用）或static（靜

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