Java效能的最佳化（上）

效能|最佳化 Java在九十年代中期出現以後，在贏得讚歎的同時，也引來了一些批評。贏得的讚歎主要是Java的跨平台的操作性，即所謂的”Write Once,Run Anywhere”.但由於Java的效能和運行效率同C相比，仍然有很大的差距，從而引來了很多的批評。
對於伺服器端的應用程式，由於不大涉及到介面設計和程式的頻繁重啟，Java的效能問題看似不大明顯，從而一些Java的技術，如JSP, Servlet,EJB等在伺服器端編程方面得到了很大的應用，但實際上，Java的效能問題在伺服器端依然存在。下面我將分四個方面來討論Java的效能和執行效率以及提高Java效能的一些方法。
一．關於效能的基本知識
1．效能的定義
在我們討論怎樣提高Java的效能之前，我們需要明白“效能“的真正含義。我們一般定義如下五個方面作為評判效能的標準。
1） 運算的效能----哪一個演算法的執行效能最好
2） 記憶體的分配----程式需要分配多少記憶體，運行時的效率和效能最高。
3） 啟動的時間----程式啟動需要多少時間。
4） 程式的延展性-----程式在使用者負載過重的情況下的表現。
5） 效能的認識------使用者怎樣才能認識到程式的效能。
對於不同的應用程式，對效能的要求也不同。例如，大部分的應用程式在啟動時需要較長的時間，從而對啟動時間的要求有所降低；伺服器端的應用程式通常都分配有較大的記憶體空間，所以對記憶體的要求也有所降低。但是，這並不是所這兩方面的效能可以被忽略。其次，演算法的效能對於那些把商務邏輯運用到事務性操作的應用程式來講非常重要。總的來講，對應用程式的要求將決定對各個效能的優先順序。
2．怎樣才能提高JAVA的效能
提高JAVA的效能，一般考慮如下的四個主要方面：
（1） 程式設計的方法和模式
一個良好的設計能提高程式的效能，這一點不僅適用於JAVA，也適用也任何的程式設計語言。因為它充分利用了各種資源，如記憶體，CPU,快取，對象緩衝池及多線程，從而設計出高效能和延展性強的系統。
當然，為了提高程式的效能而改變原來的設計是比較困難的，但是，程式效能的重要性常常要高於設計上帶來的變化。因此，在編程開始之前就應該有一個好的設計模型和方法。
（2） JAVA布署的環境。
JAVA布署的環境就是指用來解釋和執行JAVA位元組碼的技術，一般有如下五種。即解釋指令技術(Interpreter Technology)，及時編譯的技術(Just In Time Compilier Technology), 適應性最佳化技術（Adaptive Optimization Technology）, 動態最佳化，提前編譯為機器碼的技術（Dynamic Optimization,Ahead Of Time Technology）和編譯為機器碼的技術（Translator Technology）.
這些技術一般都通過最佳化執行緒模式，調整堆和棧的大小來最佳化JAVA的效能。在考慮提高JAVA的效能時，首先要找到影響JAVA效能的瓶頸（BottleNecks），在確認了設計的合理性後，應該調整JAVA布署的環境，通過改變一些參數來提高JAVA應用程式的效能。具體內容見第二節。
（3） JAVA應用程式的實現
當討論應用程式的效能問題時，大多數的程式員都會考慮程式的代碼，這當然是對的，當更重要的是要找到影響程式效能的瓶頸代碼。為了找到這些瓶頸代碼，我們一般會使用一些輔助的工具，如Jprobe,Optimizit,Vtune以及一些分析的工具如TowerJ Performance等。這些輔助的工具能跟蹤應用程式中執行每個函數或方法所消耗掉的時間，從而改善程式的效能。
(4) 硬體和作業系統
為了提高JAVA應用程式的效能，而採用跟快的CPU和更多的記憶體，並認為這是提高程式效能的唯一方法，但事實並非如此。實踐經驗和事實證明，只有遭到了應用程式效能的瓶頸，從而採取適當得方法，如設計模式，布署的環境，作業系統的調整，才是最有效。
3．程式中通常的效能瓶頸。
所有的應用程式都存在效能瓶頸，為了提高應用程式的效能，就要儘可能的減少程式的瓶頸。以下是在JAVA程式中經常存在的效能瓶頸。


瞭解了這些瓶頸後，就可以有針對性的減少這些瓶頸，從而提高JAVA應用程式的效能
4. 提高JAVA程式效能的步驟
為了提高JAVA程式的效能，需要遵循如下的六個步驟。
a) 明確對效能的具體要求
在實施一個項目之前，必須要明確該項目對於程式效能的具體要求，如：這個應用程式要支援5000個並發的使用者，並且回應時間要在5秒鐘之內。但同時也要明白對於效能的要求不應該同對程式的其他要求衝突。
b) 瞭解當前程式的效能
你應該瞭解你的應用程式的效能同項目所要求效能之間的差距。通常的指標是單位時間內的處理數和回應時間，有時還會比較CPU和記憶體的利用率。
c) 找到程式的效能瓶頸
為了發現程式中的效能瓶頸，通常會使用一些分析工具，如：TowerJ Application Performance Analyzer或VTune來察看和剖析器堆棧中各個元素的消耗時間，從而正確的找到並改正引起效能降低的瓶頸代碼，從而提高程式的效能。這些工具還能發現諸如過多的異常處理，記憶體回收等潛在的問題。
d) 採取適當的措施來提高效能
找到了引起程式效能降低的瓶頸代碼後，我們就可以用前面介紹過的提高效能的四個方面，即設計模式，JAVA代碼的實現，布署JAVA的環境和作業系統來提高應用程式的效能。具體內容將在下面的內容中作詳細說明。
e) 只進行某一方面的修改來提高效能
一次只改變可能引起效能降低的某一方面，然後觀察程式的效能是否有所提高，而不應該一次改變多個方面，因為這樣你將不知道到底哪個方面的改變提高了程式的效能，哪個方面沒有，即不能知道程式瓶頸在哪。
f) 返回到步驟c,繼續作類似的工作，一直達到要求的效能為止。

二． JAVA布署的環境和編譯技術
　開發JAVA應用程式時，首先把JAVA的來源程式編譯為與平台無關的位元組碼。這些位元組碼就可以被各種基於JVM的技術所執行。這些技術主要分為兩個大類。即基於解釋的技術和基於提前編譯為本地碼的技術。其示意圖如下：


具體可分為如下的五類：　　
a) 解釋指令技術
其結構圖和執行過程如下：


　JAVA的編譯器首先把JAVA源檔案編譯為位元組碼。這些位元組碼對於JAVA虛擬機器(JVM)來講就是機器的指令碼。然後，JAVA的解譯器不斷的迴圈取出位元組碼進行解釋並執行。
　這樣做的優點是可以實現JAVA語言的跨平台，同時產生的位元組碼也比較緊湊。JAVA的一些優點，如安全性，動態性都得保持；但缺點是省產生的位元組碼沒有經過什麼最佳化，同全部編譯好的本地碼相比，速度比較慢。
b) 及時編譯技術（Just In Time）
　　及時編譯技術是為瞭解決指令解釋技術效率比較低，速度比較慢的情況下提出的，其結構圖如下所示。


其主要變化是在JAVA程式執行之前，又JIT編譯器把JAVA的位元組碼編譯為機器碼。從而在程式運行時直接執行機器碼，而不用對位元組碼進行解釋。同時對代碼也進行了部分的最佳化。
這樣做的優點是大大提高了JAVA程式的效能。同時，由於編譯的結果並不在程式運行間儲存，因此也節約了儲存空間了載入程式的時間；缺點是由於JIT編譯器對所有的代碼都想最佳化，因此也浪費了很多的時間。
IBM和SUN公司都提供了相關的JIT產品。
c) 適應性最佳化技術（Adaptive Optimization Technology）
同JIT技術相比，適應性最佳化技術並不對所有的位元組碼進行最佳化。它會跟蹤程式啟動並執行成個過程，從而發現需要最佳化的代碼，對代碼進行動態最佳化。對最佳化的代碼，採取80/20的策略。從理論上講，程式啟動並執行時間越長，代碼就越最佳化。其結構圖如下：


其優點是適應性最佳化技術充分利用了程式執行時的資訊，發行程式的效能瓶頸，從而提高程式的效能；其缺點是在進行最佳化時可能會選擇不當，發而降低了程式的效能。
其主要產品又IBM,SUN的HotSpot.
d) 動態最佳化，提前編譯為機器碼的技術（Dynamic Optimization,Ahead Of Time）
動態最佳化技術充分利用了JAVA源碼編譯，位元組碼編譯，動態編譯和靜態編譯的技術。其輸入時JAVA的原碼或位元組碼，而輸出是經過高度最佳化的可執行代碼和個來動態庫的混合(Window中是DLL檔案，UNIX中是共用庫.a .so檔案)。其結構如下：


其優點是能大大提高程式的效能；缺點是破壞了JAVA的可移植性，也對JAVA的安全帶來了一定的隱患。
其主要產品是TowerJ3.0.