簡介Java代碼最佳化的過程

衡配量序的標準

衡量一個程式是否優質，可以從多個角度進行分析。其中，最常見的衡量標準是程式的時間複雜 度、空間複雜度，以及代碼的可讀性、可擴充性。針對程式的時間複雜度和空間複雜度，想要最佳化程式碼，需要對資料結 構與演算法有深入的理解，並且熟悉電腦系統的基本概念和原理；而針對代碼的可讀性和可擴充性，想要最佳化程式碼，需 要深入理解軟體架構設計，熟知並會應用合適的設計模式。

首先，如今電腦系統的儲存空間已經足夠大了，達到 了 TB 層級，因此相比於空間複雜度，時間複雜度是程式員首要考慮的因素。為了追求高效能，在某些頻繁操作執行時，甚 至可以考慮用空間換取時間。其次，由於受到處理器製造工藝的物理限制、成本限制，CPU 主頻的增長遇到了瓶頸，摩爾定 律已漸漸失效，每隔 18 個月 CPU 主頻即翻倍的時代已經過去了，程式員的編程方式發生了徹底的改變。在目前這個多核 多處理器的時代，湧現了原生支援多線程的語言（如 Java）以及分布式並行計算架構（如 Hadoop）。為了使程式充分地利 用多核 CPU，簡單地實現一個單線程的程式是遠遠不夠的，程式員需要能夠編寫出並發或者並行的多線程程式。最後，大型 軟體系統的程式碼數達到了百萬級，如果沒有一個設計良好的軟體架構，想在已有代碼的基礎上進行開發，開發代價和維護 成本是無法想象的。一個設計良好的軟體應該具有可讀性和可擴充性，遵循“開閉原則”、“依賴倒置原則”、“面向介面 編程”等。

項目介紹

本文將介紹筆者經曆的一個項目中的一部分，通過這個執行個體剖析代碼最佳化的過程。下面 簡要地介紹該系統的相關部分。

該系統的開發語言為 Java，部署在共擁有 4 核 CPU 的 Linux 伺服器上，相關部 分主要有以下操作：通過某外部系統 D 提供的 REST API 擷取資訊，從中提取出有效資訊，並通過 JDBC 儲存到某資料 庫系統 S 中，供系統其他部分使用，上述操作的執行頻率為每天一次，一般在午夜當系統空閑時定時執行。為了實現高可 用性（High Availability），外部系統 D 部署在兩台伺服器上，因此需要分別從這兩台伺服器上擷取資訊並將資訊插入數 據庫中，有效資訊的條數達到了上千條，資料庫插入操作次數則為有效資訊條數的兩倍。

圖 1. 系統體繫結構圖

為了快 速地實現預期效果，在最初的實現中優先考慮了功能的實現，而未考慮系統效能和代碼可讀性等。系統大致有以下的實現： （1）REST API 擷取資訊、資料庫操作可能拋出的異常資訊都被記錄到記錄檔中，作為調試用；（2）共有 5 次資料庫連 接操作，包括第一次清空資料庫表，針對兩個外部系統 D 各有兩次資料庫插入操作，這 5 個串連都是獨立的，用完之後即 釋放；（3）所有的資料庫插入語句都是使用 java.sql.Statement 類產生的；（4）所有的資料庫插入語句，都是單條執行 的，即產生一條執行一條；（5）整個過程都是在單個線程中執行的，包括資料庫表清空操作，資料庫插入操作，釋放資料 庫串連；（6）資料庫插入操作的 JDBC 代碼散布在代碼中。雖然這個版本的系統可以正常運行，達到了預期的效果，但是 效率很低，從通過 REST API 擷取資訊，到解析並提取有效資訊，再到資料庫插入操作，總共耗時 100 秒左右。而預期的 時間應該在一分鐘以內，這顯然是不符合要求的。

代碼最佳化過程

筆者開始分析整個過程有哪些耗時操作，以 及如何提升效率，縮短程式執行的時間。通過 REST API 擷取資訊，因為是使用外部系統提供的 API，所以無法在此處提升 效率；取得資訊之後解析出有效部分，因為是對特定格式的資訊進行解析，所以也無效率提升的空間。所以，效率可以大幅 度提升的空間在資料庫操作部分以及程式控制部分。下面，分條敘述對耗時操作的改進方法。

針對日誌記錄的最佳化

關閉日誌記錄，或者變更記錄檔輸出層級。因為從兩台伺服器的外部系統 D 上擷取到的資訊是相同的，所以資料庫插 入操作會拋出異常，異常資訊類似於“Attempt to insert duplicate record”，這樣的異常資訊跟有效資訊的條數相等， 有上千條。這種情況是能預料到的，所以可以考慮關閉日誌記錄，或者不關閉日誌記錄而是變更記錄檔輸出層級，只記錄嚴重 層級（severe level）的錯誤資訊，並將此類操作的記錄層級調整為警告層級（warning level），這樣就不會記錄以上異 常資訊了。本項目使用的是 Java 內建的日誌記錄類，以下設定檔將日誌輸出層級設定為嚴重層級。

清單 1. log.properties 設定日誌輸出層級的片段

# default file output is in user ’ s home directory. # levels can be: SEVERE, WARNING, INFO, FINE, FINER, FINEST java.util.logging.ConsoleHandler.level=SEVERE java.util.logging.FileHandler.formatter=java.util.logging.SimpleFormatter java.util.logging.FileHandler.append=true

通過上述的最佳化之後，效能有了大幅度的提升，從原來的 100 秒 左右降到了 50 秒左右。為什麼僅僅不記錄日誌就能有如此大幅度的效能提升呢？查閱資料，發現已經有人做了相關的研究 與實驗。經常聽到 Java 程式比 C/C++ 程式慢的言論，但是運行速度慢的真正原因是什麼，估計很多人並不清楚。對於 CPU 密集型的程式（即程式中包含大量計算），Java 程式可以達到 C/C++ 程式同等層級的速度，但是對於 I/O 密集型的 程式（即程式中包含大量 I/O 操作），Java 程式的速度就遠遠慢於 C/C++ 程式了，很大程度上是因為 C/C++ 程式能直接 訪問底層的存放裝置。因此，不記錄日誌而得到大幅度效能提升的原因是，Java 程式的 I/O 操作較慢，是一個很耗時的操 作。