Java入門－漫談Java程序的性能優(yōu)化

2019-11-17 04:59:32

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供稿：網(wǎng)友

java使得復(fù)雜應(yīng)用的開發(fā)變得相對簡單。毫無疑問，它的這種易用性對Java的大范圍流行功不可沒。然而，這種易用性實際上是一把雙刃劍。一個設(shè)計良好的Java程序，性能表現(xiàn)往往不如一個同樣設(shè)計良好的C++程序。在Java程序中，性能問題的大部分原因并不在于Java語言，而是在于程序本身。養(yǎng)成好的代碼編寫習(xí)慣非常重要，比如正確地、巧妙地運用java.lang.String類和java.util.Vector類，它能夠顯著地提高程序的性能。下面我們就來具體地分析一下這方面的問題。

在java中，使用最頻繁、同時也是濫用最多的一個類或許就是java.lang.String，它也是導(dǎo)致代碼性能低下最主要的原因之一。請考慮下面這個例子：

String s1 = "Testing String";
String s2 = "Concatenation Performance";
String s3 = s1 + " " + s2;

幾乎所有的Java程序員都知道上面的代碼效率不高。那么，我們應(yīng)該怎么辦呢？也許可以試試下面這種代碼：

StringBuffer s = new StringBuffer();
s.append("Testing String");
s.append(" ");
s.append("Concatenation Performance");
String s3 = s.toString();

這些代碼會比第一個代碼片段效率更高嗎？答案是否定的。這里的代碼實際上正是編譯器編譯第一個代碼片段之后的結(jié)果。既然與使用多個獨立的String對象相比，StringBuffer并沒有使代碼有任何效率上的提高，那為什么有那么多的Java書籍批評第一種方法、推薦使用第二種方法？

第二個代碼片段用到了StringBuffer類（編譯器在第一個片段中也將使用StringBuffer類），我們來分析一下StringBuffer類的默認構(gòu)造函數(shù)，下面是它的代碼：

public StringBuffer() { this(16); }

默認構(gòu)造函數(shù)預(yù)設(shè)了16個字符的緩存容量。現(xiàn)在我們再來看看StringBuffer類的append()方法：

public synchronized StringBuffer append(String str) {
if (str == null) {
    str = String.valueOf(str);
  }
int len = str.length();
int newcount = count + len;
if (newcount > value.length) expandCapacity(newcount);
str.getChars(0, len, value, count);
count = newcount; return this;
}

append()方法首先計算字符串追加完成后的總長度，如果這個總長度大于StringBuffer的存儲能力，append()方法調(diào)用私有的expandCapacity()方法。expandCapacity()方法在每次被調(diào)用時使StringBuffer存儲能力加倍，并把現(xiàn)有的字符數(shù)組內(nèi)容復(fù)制到新的存儲空間。

在第二個代碼片段中（以及在第一個代碼片段的編譯結(jié)果中），由于字符串追加操作的最后結(jié)果是“Testing String Concatenation Performance”，它有40個字符，StringBuffer的存儲能力必須擴展兩次，從而導(dǎo)致了兩次代價昂貴的復(fù)制操作。因此，我們至少有一點可以做得比編譯器更好，這就是分配一個初始存儲容量大于或者等于40個字符的StringBuffer，如下所示：

StringBuffer s = new StringBuffer(45);
s.append("Testing String");
s.append(" ");
s.append("Concatenation Performance");
String s3 = s.toString();

再考慮下面這個例子：

String s = "";
int sum = 0;
for(int I=1; I<10; I++) {
  sum += I;
  s = s + "+" +I ;
}
s = s + "=" + sum;

分析一下為何前面的代碼比下面的代碼效率低：

StringBuffer sb = new StringBuffer();
int sum = 0;
for(int I=1;
I<10; I++){
  sum + = I;
  sb.append(I).append("+");
}
String s = sb.append("=").append(sum).toString();

原因就在于每個s = s + "+" + I操作都要創(chuàng)建并拆除一個StringBuffer對象以及一個String對象。這完全是一種浪費，而在第二個例子中我們避免了這種情況。

我們再來看看另外一個常用的Java類??java.util.Vector。簡單地說，一個Vector就是一個java.lang.Object實例的數(shù)組。Vector與數(shù)組相似，它的元素可以通過整數(shù)形式的索引訪問。但是，Vector類型的對象在創(chuàng)建之后，對象的大小能夠根據(jù)元素的增加或者刪除而擴展、縮小。請考慮下面這個向Vector加入元素的例子：

Object obj = new Object();
Vector v = new Vector(100000);
for(int I=0;
I<100000; I++) { v.add(0,obj); }

除非有絕對充足的理由要求每次都把新元素插入到Vector的前面，否則上面的代碼對性能不利。在默認構(gòu)造函數(shù)中，Vector的初始存儲能力是10個元素，如果新元素加入時存儲能力不足，則以后存儲能力每次加倍。Vector類就象StringBuffer類一樣，每次擴展存儲能力時，所有現(xiàn)有的元素都要復(fù)制到新的存儲空間之中。下面的代碼片段要比前面的例子快幾個數(shù)量級：

Object obj = new Object();
Vector v = new Vector(100000);
for(int I=0; I<100000; I++) { v.add(obj); }

同樣的規(guī)則也適用于Vector類的remove()方法。由于Vector中各個元素之間不能含有“空隙”，刪除除最后一個元素之外的任意其他元素都導(dǎo)致被刪除元素之后的元素向前移動。也就是說，從Vector刪除最后一個元素要比刪除第一個元素“開銷”低好幾倍。

假設(shè)要從前面的Vector刪除所有元素，我們可以使用這種代碼：

for(int I=0; I<100000; I++){ v.remove(0); }

但是，與下面的代碼相比，前面的代碼要慢幾個數(shù)量級：

for(int I=0; I<100000; I++){ v.remove(v.size()-1); }

從Vector類型的對象v刪除所有元素的最好方法是：

v.removeAllElements();

假設(shè)Vector類型的對象v包含字符串“Hello”。考慮下面的代碼，它要從這個Vector中刪除“Hello”字符串：

String s = "Hello"; int i = v.indexOf(s); if(I != -1) v.remove(s);

這些代碼看起來沒什么錯誤，但它同樣對性能不利。在這段代碼中，indexOf()方法對v進行順序搜索尋找字符串“Hello”，remove(s)方法也要進行同樣的順序搜索。改進之后的版本是：

String s = "Hello"; int i = v.indexOf(s); if(I != -1) v.remove(i);

這個版本中我們直接在remove()方法中給出待刪除元素的精確索引位置，從而避免了第二次搜索。一個更好的版本是：

String s = "Hello"; v.remove(s);

最后，我們再來看一個有關(guān)Vector類的代碼片段：

for(int I=0; I

如果v包含100,000個元素，這個代碼片段將調(diào)用v.size()方法100,000次。雖然size方法是一個簡單的方法，但它仍舊需要一次方法調(diào)用的開銷，至少JVM需要為它配置以及清除堆棧環(huán)境。在這里，for循環(huán)內(nèi)部的代碼不會以任何方式修改Vector類型對象v的大小，因此上面的代碼最好改寫成下面這種形式：

int size = v.size(); for(int I=0; I

雖然這是一個簡單的改動，但它仍舊贏得了性能。畢竟，每一個CPU周期都是寶貴的。

拙劣的代碼編寫方式導(dǎo)致代碼性能下降。但是，正如本文例子所顯示的，我們只要采取一些簡單的措施就能夠顯著地改善代碼性能。

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