Java性能優化

2019-11-18 13:22:46

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　　java語言非凡強調準確性，但可靠的行為要以性能作為代價。這一特點反映在自動收集垃圾、嚴格的運行期檢查、完整的字節碼檢查以及保守的運行期同步等等方面。對一個解釋型的虛擬機來說，由于目前有大量平臺可供挑選，所以進一步阻礙了性能的發揮。
　　“先做完它，再逐步完善。幸好需要改進的地方通常不會太多。”（Steve McConnell的《About performance》[16]）
　　本附錄的宗旨就是指導大家尋找和優化“需要完善的那一部分”。
　　
　　1 基本方法
　　只有正確和完整地檢測了程序后，再可著手解決性能方面的問題：
　　(1) 在現實環境中檢測程序的性能。若符合要求，則目標達到。若不符合，則轉到下一步。
　　(2) 尋找最致命的性能瓶頸。這也許要求一定的技巧，但所有努力都不會白費。如簡單地猜測瓶頸所在，并試圖進行優化，那么可能是白花時間。
　　(3) 運用本附錄介紹的提速技術，然后返回步驟1。
　　
　　為使努力不至白費，瓶頸的定位是至關重要的一環。Donald Knuth[9]曾改進過一個程序，那個程序把50％的時間都花在約4％的代碼量上。在僅一個工作小時里，他修改了幾行代碼，使程序的執行速度倍增。此時，若將時間繼續投入到剩余代碼的修改上，那么只會得不償失。Knuth在編程界有一句名言：“過早的優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早優化的沖動，因為那樣做可能遺漏多種有用的編程技術，造成代碼更難理解和操控，并需更大的精力進行維護。
　　
　　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 安插自己的測試代碼
　　插入下述“顯式”計時代碼，對程序進行評測：
　　
　　long start = System.currentTimeMillis();
　　// 要計時的運算代碼放在這兒
　　long time = System.currentTimeMillis() - start;
　　
　　利用System.out.println()，讓一種不常用到的方法將累積時間打印到控制臺窗口。由于一旦出錯，編譯器會將其忽略，所以可用一個“靜態最終布爾值”（Static final boolean）打開或關閉計時，使代碼能放心留在最終發行的程序里，這樣任何時候都可以拿來應急。盡管還可以選用更復雜的評測手段，但若僅僅為了量度一個特定任務的執行時間，這無疑是最簡便的方法。
　　System.currentTimeMillis()返回的時間以千分之一秒（1毫秒）為單位。然而，有些系統的時間精度低于1毫秒（如Windows PC），所以需要重復n次，再將總時間除以n，獲得準確的時間。
　　
　　2.2 JDK性能評測[2]
　　JDK配套提供了一個內建的評測程序，能跟蹤花在每個例程上的時間，并將評測結果寫入一個文件。不幸的是，JDK評測器并不穩定。它在JDK 1.1.1中能正常工作，但在后續版本中卻非常不穩定。
　　為運行評測程序，請在調用Java解釋器的未優化版本時加上-prof選項。例如：
　　java_g -prof myClass
　　或加上一個程序片（Applet）：
　　java_g -prof sun.applet.AppletViewer applet.Html
　　理解評測程序的輸出信息并不輕易。事實上，在JDK 1.0中，它居然將方法名稱截短為30字符。所以可能無法區分出某些方法。然而，若您用的平臺確實能支持-prof選項，那么可試試Vladimir Bulatov的“HyperPorf”[3]或者Greg White的“ProfileViewer”來解釋一下結果。
　　
　　2.3 非凡工具
　　假如想隨時跟上性能優化工具的潮流，最好的方法就是作一些Web站點的常客。比如由Jonathan Hardwick制作的“Tools for Optimizing Java”（Java優化工具）網站：
　　http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/tools.html
　　
　　2.4 性能評測的技巧
　　■由于評測時要用到系統時鐘，所以當時不要運行其他任何進程或應用程序，以免影響測試結果。
　　■如對自己的程序進行了修改，并試圖（至少在開發平臺上）改善它的性能，那么在修改前后應分別測試一下代碼的執行時間。
　　■盡量在完全一致的環境中進行每一次時間測試。
　　■假如可能，應設計一個不依靠任何用戶輸入的測試，避免用戶的不同反應導致結果出現誤差。
　　
　　3 提速方法
　　現在，要害的性能瓶頸應已隔離出來。接下來，可對其應用兩種類型的優化：常規手段以及依靠Java語言。
　　
　　3.1 常規手段
　　通常，一個有效的提速方法是用更現實的方式重新定義程序。例如，在《Programming Pearls》（編程拾貝）一書中[14]，Bentley利用了一段小說數據描寫，它可以生成速度非常快、而且非常精簡的拼寫檢查器，從而介紹了Doug McIlroy對英語語言的表述。除此以外，與其他方法相比，更好的算法也許能帶來更大的性能提升——非凡是在數據集的尺寸越來越大的時候。欲了解這些常規手段的詳情，請參考本附錄末尾的“一般書籍”清單。
　　
　　3.2 依靠語言的方法
　　為進行客觀的分析，最好明確把握各種運算的執行時間。這樣一來，得到的結果可獨立于當前使用的計算機——通過除以花在本地賦值上的時間，最后得到的就是“標準時間”。
　　
　　運算示例標準時間
　　
　　本地賦值 i=n; 1.0
　　實例賦值 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 while(true) n++; 2.0
　　三元表達式 (x<0) ?-x : x 2.2
　　算術調用 Math.abs(x); 2.5
　　數組賦值 a[0] = n; 2.7
　　long增值 l++; 3.5
　　方法調用 funct(); 5.9
　　throw或catch異常 try{ throw e; }或catch(e){} 320
　　同步方法調用 synchMehod(); 570
　　新建對象 new Object(); 980
　　新建數組 new int[10]; 3100
　　
　　通過自己的系統（如我的Pentium 200 Pro，Netscape 3及JDK 1.1.5），這些相對時間向大家揭示出：新建對象和數組會造成最沉重的開銷，同步會造成比較沉重的開銷，而一次不同步的方法調用會造成適度的開銷。參考資源[5]和[6]為大家總結了測量用程序片的Web地址，可到自己的機器上運行它們。
　　
　　1. 常規修改
　　下面是加快Java程序要害部分執行速度的一些常規操作建議（注重對比修改前后的測試結果）。
　　
　　將... 修改成... 理由
　　
　　接口抽象類（只需一個父時）接口的多個繼續會妨礙性能的優化
　　非本地或數組循環變量本地循環變量根據前表的耗時比較，一次實例整數賦值的時間是本地整數賦值時間的1.2倍，但數組賦值的時間是本地整數賦值的2.7倍
　　鏈接列表（固定尺寸）保存丟棄的鏈接項目，或將列表替換成一個循環數組（大致知道尺寸）每新建一個對象，都相當于本地賦值980次。參考“重復利用對象”（下一節）、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
　　■字串的開銷：字串連接運算符+看似簡單，但實際需要消耗大量系統資源。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間。例如，假設s和t是字串變量：
　　System.out.println("heading" + s + "trailer" + t);
　　上述語句要求新建一個StringBuffer（字串緩沖），追加自變量，然后用toString()將結果轉換回一個字串。因此，無論磁盤空間還是處理器時間，都會受到嚴重消耗。若預備追加多個字串，則可考慮直接使用一個字串緩沖——非凡是能在一個循環里重復利用它的時候。通過在每次循環里禁止新建一個字串緩沖，可節省980單位的對象創建時間（如前所述）。利用substring()以及其他字串方法，可進一步地改善性能。假如可行，字符數組的速度甚至能夠更快。也要注重由于同步的關系，所以StringTokenizer會造成較大的開銷。
　　■同步：在JDK解釋器中，調用同步方法通常會比調用不同步方法慢10倍。經JIT編譯器處理后，這一性能上的差距提升到50到100倍（注重前表總結的時間顯示出要慢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。
　　■重復利用對象：要花很長的時間來新建一個對象（根據前表總結的時間，對象的新建時間是賦值時間的980倍，而新建一個小數組的時間是賦值時間的3100倍）。因此，最明智的做法是保存和更新老對象的字段，而不是創建一個新對象。例如，不要在自己的paint()方法中新建一個Font對象。相反，應將其聲明成實例對象，再初始化一次。在這以后，可在paint()里需要的時候隨時進行更新。參見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題，而這一般是不愿見到的，所以性能不再成為優先考慮的目標。進行優化時，將小的“try-catch”塊合并到一起。由于這些塊將代碼分割成小的、各自獨立的片斷，所以會妨礙編譯器進行優化。另一方面，若過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的標準“散列表”（Hashtable）類需要造型以及非凡消耗系統資源的同步處理（570單位的賦值時間）。其次，早期的JDK庫不能自動決定最佳的表格尺寸。最后，散列函數應針對實際使用項（Key）的特征設計。考慮到所有這些原因，我們可非凡設計一個散列類，令其與特定的應用程序配合，從而改善常規散列表的性能。注重Java 1.2集合庫的散列映射（HashMap）具有更大的靈活性，而且不會自動同步。
　　■方法內嵌：只有在方法屬于final（最終）、private（專用）或static（靜

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