Java性能

Java語言特别強調準确性，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、嚴格的運作期檢查、完整的位元組碼檢查以及保守的運作期同步等等方面。對一個解釋型的虛拟機來說，由于目前有大量平台可供挑選，是以進一步阻礙了性能的發揮。

“先做完它，再逐漸完善。幸好需要改進的地方通常不會太多。”

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”。

D.1 基本方法

隻有正确和完整地檢測了程式後，再可着手解決性能方面的問題：

(1) 在現實環境中檢測程式的性能。若符合要求，則目标達到。若不符合，則轉到下一步。

(2) 尋找最緻命的性能瓶頸。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，那麼可能是白花時間。

(3) 運用本附錄介紹的提速技術，然後傳回步驟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]曾改進過一個程式，那個程式把50％的時間都花在約4％的代碼量上。在僅一個工作小時裡，他修改了幾行代碼，使程式的執行速度倍增。此時，若将時間繼續投入到剩餘代碼的修改上，那麼隻會得不償失。Knuth在程式設計界有一句名言：“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程式設計技術，造成代碼更難了解和操控，并需更大的精力進行維護。

D.2 尋找瓶頸

為找出最影響程式性能的瓶頸，可采取下述幾種方法：

D.2.1 安插自己的測試代碼

插入下述“顯式”計時代碼，對程式進行評測：

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将累積時間列印到控制台視窗。由于一旦出錯，編譯器會将其忽略，是以可用一個“靜态最終布爾值”（Static final boolean）打開或關閉計時，使代碼能放心留在最終發行的程式裡，這樣任何時候都可以拿來應急。盡管還可以選用更複雜的評測手段，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()傳回的時間以千分之一秒（1毫秒）為機關。然而，有些系統的時間精度低于1毫秒（如Windows PC），是以需要重複n次，再将總時間除以n，獲得準确的時間。

D.2.2 JDK性能評測[2]

JDK配套提供了一個内建的評測程式，能跟蹤花在每個例程上的時間，并将評測結果寫入一個檔案。不幸的是，JDK評測器并不穩定。它在JDK 1.1.1中能正常工作，但在後續版本中卻非常不穩定。

為運作評測程式，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

或加上一個程式片（Applet）：

java_g -prof sun.applet.AppletViewer applet.html

了解評測程式的輸出資訊并不容易。事實上，在JDK 1.0中，它居然将方法名稱截短為30字元。是以可能無法區分出某些方法。然而，若您用的平台确實能支援-prof選項，那麼可試試Vladimir Bulatov的“HyperPorf”[3]或者Greg White的“ProfileViewer”來解釋一下結果。

D.2.3 特殊工具

如果想随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：

<a href="http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/tools.html">[url]http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/tools.html[/url]</a>

D.2.4 性能評測的技巧

■由于評測時要用到系統時鐘，是以當時不要運作其他任何程序或應用程式，以免影響測試結果。

■如對自己的程式進行了修改，并試圖（至少在開發平台上）改善它的性能，那麼在修改前後應分别測試一下代碼的執行時間。

■盡量在完全一緻的環境中進行每一次時間測試。

■如果可能，應設計一個不依賴任何使用者輸入的測試，避免使用者的不同反應導緻結果出現誤差。

D.3 提速方法

現在，關鍵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：正常手段以及依賴Java語言。

D.3.1 正常手段

通常，一個有效的提速方法是用更現實的方式重新定義程式。例如，在《Programming Pearls》（程式設計拾貝）一書中[14]，Bentley利用了一段小說資料描寫，它可以生成速度非常快、而且非常精簡的拼寫檢查器，進而介紹了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——特别是在資料集的尺寸越來越大的時候。欲了解這些正常手段的詳情，請參考本附錄末尾的“一般書籍”清單。

D.3.2 依賴語言的方法

為進行客觀的分析，最好明确掌握各種運算的執行時間。這樣一來，得到的結果可獨立于目前使用的計算機——通過除以花在本地指派上的時間，最後得到的就是“标準時間”。

運算 示例 标準時間

本地指派 i=n; 1.0

執行個體指派 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&lt;0) ?-x : x 2.2

算術調用 Math.abs(x); 2.5

數組指派 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

建立對象 new Object(); 980

建立數組 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：建立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适度的開銷。參考資源[5]和[6]為大家總結了測量用程式片的Web位址，可到自己的機器上運作它們。

1. 正常修改

下面是加快Java程式關鍵部分執行速度的一些正常操作建議（注意對比修改前後的測試結果）。

将... 修改成... 理由

接口 抽象類（隻需一個父時） 接口的多個繼承會妨礙性能的優化

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，一次執行個體整數指派的時間是本地整數指派時間的1.2倍，但數組指派的時間是本地整數指派的2.7倍

連結清單（固定尺寸） 儲存丢棄的連結項目，或将清單替換成一個循環數組（大緻知道尺寸） 每建立一個對象，都相當于本地指派980次。參考“重複利用對象”（下一節）、Van Wyk[12] p.87以及Bentley[15] p.81

x/2（或2的任意次幂） X&gt;&gt;2（或2的任意次幂） 使用更快的硬體指令

D.3.3 特殊情況

■字串的開銷：字串連接配接運算符+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配接字串，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);

上述語句要求建立一個StringBuffer（字串緩沖），追加自變量，然後用toString()将結果轉換回一個字串。是以，無論磁盤空間還是處理器時間，都會受到嚴重消耗。若準備追加多個字串，則可考慮直接使用一個字串緩沖——特别是能在一個循環裡重複利用它的時候。通過在每次循環裡禁止建立一個字串緩沖，可節省980機關的對象建立時間（如前所述）。利用substring()以及其他字串方法，可進一步地改善性能。如果可行，字元數組的速度甚至能夠更快。也要注意由于同步的關系，是以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編譯器處理後，這一性能上的差距提升到50到100倍（注意前表總結的時間顯示出要慢97倍）。是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。

■重複利用對象：要花很長的時間來建立一個對象（根據前表總結的時間，對象的建立時間是指派時間的980倍，而建立一個小數組的時間是指派時間的3100倍）。是以，最明智的做法是儲存和更新老對象的字段，而不是建立一個新對象。例如，不要在自己的paint()方法中建立一個Font對象。相反，應将其聲明成執行個體對象，再初始化一次。在這以後，可在paint()裡需要的時候随時進行更新。參見Bentley編著的《程式設計拾貝》，p.81[15]。

■異常：隻有在不正常的情況下，才應放棄異常處理子產品。什麼才叫“不正常”呢？這通常是指程式遇到了問題，而這一般是不願見到的，是以性能不再成為優先考慮的目标。進行優化時，将小的“try-catch”塊合并到一起。由于這些塊将代碼分割成小的、各自獨立的片斷，是以會妨礙編譯器進行優化。另一方面，若過份熱衷于删除異常處理子產品，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的标準“散清單”（Hashtable）類需要造型以及特别消耗系統資源的同步處理（570機關的指派時間）。其次，早期的JDK庫不能自動決定最佳的表格尺寸。最後，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，我們可特别設計一個散列類，令其與特定的應用程式配合，進而改善正常散清單的性能。注意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。

■方法内嵌：隻有在方法屬于final（最終）、private（專用）或static（靜态）的情況下，Java編譯器才能内嵌這個方法。而且某些情況下，還要求它絕對不可以有局部變量。若代碼花大量時間調用一個不含上述任何屬性的方法，那麼請考慮為其編寫一個“final”版本。

■I/O：應盡可能使用緩沖。否則，最終也許就是一次僅輸入／輸出一個位元組的惡果。注意JDK 1.0的I/O類采用了大量同步措施，是以若使用象readFully()這樣的一個“大批量”調用，然後由自己解釋資料，就可獲得更佳的性能。也要注意Java 1.1的“reader”和“writer”類已針對性能進行了優化。

■造型和執行個體：造型會耗去2到200個機關的指派時間。開銷更大的甚至要求上溯繼承（遺傳）結構。其他高代價的操作會損失和恢複更低層結構的能力。

■圖形：利用剪切技術，減少在repaint()中的工作量；倍增緩沖區，提高接收速度；同時利用圖形壓縮技術，縮短下載下傳時間。來自JavaWorld的“Java Applets”以及來自Sun的“Performing Animation”是兩個很好的教程。請記着使用最貼切的指令。例如，為根據一系列點畫一個多邊形，和drawLine()相比，drawPolygon()的速度要快得多。如必須畫一條單像素粗細的直線，drawLine(x,y,x,y)的速度比fillRect(x,y,1,1)快。

■使用API類：盡量使用來自Java API的類，因為它們本身已針對機器的性能進行了優化。這是用Java難于達到的。比如在複制任意長度的一個數組時，arraryCopy()比使用循環的速度快得多。

■替換API類：有些時候，API類提供了比我們希望更多的功能，相應的執行時間也會增加。是以，可定做特别的版本，讓它做更少的事情，但可更快地運作。例如，假定一個應用程式需要一個容器來儲存大量數組。為加快執行速度，可将原來的Vector（矢量）替換成更快的動态對象數組。

1. 其他建議

■将重複的常數計算移至關鍵循環之外——比如計算固定長度緩沖區的buffer.length。

■static final（靜态最終）常數有助于編譯器優化程式。

■實作固定長度的循環。

■使用javac的優化選項：-O。它通過内嵌static，final以及private方法，進而優化編譯過的代碼。注意類的長度可能會增加（隻對JDK 1.1而言——更早的版本也許不能執行位元組查證）。新型的“Just-in-time”編譯器會動态加速代碼。

■盡可能地将計數減至0——這使用了一個特殊的JVM位元組碼。

本文轉自 fish_yy 51CTO部落格，原文連結：http://blog.51cto.com/tester2test/137286，如需轉載請自行聯系原作者