Java效能(來源：java編程思想)

“本附錄由Joe Sharp投稿，
Java語言特彆強調準確性，但可靠的行為要以效能作為代價。這一特點反映在自動收集垃圾、嚴格的運行期檢查、完整的位元組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器來說，由於目前有大量平台可供挑選，所以進一步阻礙了效能的發揮。
“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最佳化“需要完善的那一部分”。

D.1 基本方法
只有正確和完整地檢測了程式後，再可著手解決效能方面的問題：
(1) 在現實環境中檢測程式的效能。若符合要求，則目標達到。若不符合，則轉到下一步。
(2) 尋找最致命的效能瓶頸。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，並試圖進行最佳化，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，若將時間繼續投入到剩餘代碼的修改上，那麼只會得不償失。Knuth在編程界有一句名言：“過早的最佳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最佳化的衝動，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，並需更大的精力進行維護。

D.2 尋找瓶頸
為找出最影響程式效能的瓶頸，可採取下述幾種方法：

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將累積時間列印到控制台視窗。由於一旦出錯，編譯器會將其忽略，所以可用一個“靜態最終布爾值”（Static final boolean）開啟或關閉計時，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。儘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()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於1毫秒（如Windows PC），所以需要重複n次，再將總時間除以n，獲得準確的時間。

D.2.2 JDK效能評測[2]
JDK配套提供了一個內建的評測程式，能跟蹤花在每個常式上的時間，並將評測結果寫入一個檔案。不幸的是，JDK評測器並不穩定。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。
為運行評測程式，請在調用Java解譯器的未最佳化版本時加上-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
理解評測程式的輸出資訊並不容易。事實上，在JDK 1.0中，它居然將方法名稱截短為30字元。所以可能無法區分出某些方法。然而，若您用的平台確實能支援-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
如果想隨時跟上效能最佳化工具的潮流，最好的方法就是作一些Web網站的常客。比如由Jonathan Hardwick製作的“Tools for Optimizing Java”（Java最佳化工具）網站：
http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/tools.html

D.2.4 效能評測的技巧
■由於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式，以免影響測試結果。
■如對自己的程式進行了修改，並試圖（至少在開發平台上）改善它的效能，那麼在修改前後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。
■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致結果出現誤差。

D.3 提速方法
現在，關鍵的效能瓶頸應已隔離出來。接下來，可對其應用兩種類型的最佳化：常規手段以及依賴Java語言。

D.3.1 常規手段
通常，一個有效提速方法是用更現實的方式重新定義程式。例如，在《Programming Pearls》（編程拾貝）一書中[14]，Bentley利用了一段小說資料描寫，它可以產生速度非常快、而且非常精簡的拼字檢查器，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，更好的演算法也許能帶來更大的效能提升——特別是在資料集的尺寸越來越大的時候。欲瞭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。

D.3.2 依賴語言的方法
為進行客觀的分析，最好明確掌握各種運算的執行時間。這樣一來，得到的結果可獨立於當前使用的電腦——通過除以花在本地賦值上的時間，最後得到的就是“標準時間”。

運算 樣本 標準時間

本地賦值 i=n; 1.0
執行個體賦值 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
空迴圈 while(true) n++; 2.0
三元運算式 (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
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適度的開銷。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程式關鍵區段執行速度的一些常規操作建議（注意對比修改前後的測試結果）。

將... 修改成... 理由

介面 抽象類別（只需一個父時） 介面的多個繼承會妨礙效能的最佳化
非本地或數組迴圈變數 本地迴圈變數 根據前表的耗時比較，一次執行個體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
連結清單（固定尺寸） 儲存丟棄的連結專案，或將列表替換成一個迴圈數組（大致知道尺寸） 每建立一個對象，都相當於本地賦值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的任意次冪） X>>2（或2的任意次冪） 使用更快的硬體指令

D.3.3 特殊情況
■字串的開銷：字串聯接運算子+看似簡單，但實際需要消耗大量系統資源。編譯器可高效地串連字串，但變數字串卻要求可觀的處理器時間。例如，假設s和t是字串變數：
System.out.println("heading" + s + "trailer" + t);
上述語句要求建立一個StringBuffer（字串緩衝），追加自變數，然後用toString()將結果轉換回一個字串。因此，無論磁碟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衝——特別是能在一個迴圈裡重複利用它的時候。通過在每次迴圈裡禁止建立一個字串緩衝，可節省980單位的對象建立時間（如前所述）。利用substring()以及其他字串方法，可進一步地改善效能。如果可行，字元數組的速度甚至能夠更快。也要注意由於同步的關係，所以StringTokenizer會造成較大的開銷。
■同步：在JDK解譯器中，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，這一效能上的差距提升到50到100倍（注意前表總結的時間顯示出要慢97倍）。所以要儘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，對象的建立時間是賦值時間的980倍，而建立一個小數組的時間是賦值時間的3100倍）。因此，最明智的做法是儲存和更新老對象的欄位，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，應將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組。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，所以效能不再成為優先考慮的目標。進行最佳化時，將小的“try-catch”塊合并到一起。由於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最佳化。另一方面，若過份熱衷於刪除異常處理模組，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）類需要造型以及特別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。最後，散列函數應針對實際使用項（Key）的特徵設計。考慮到所有這些原因，我們可特別設計一個散列類，令其與特定的應用程式配合，從而改善常規散列表的效能。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。
■方法內嵌：只有在方法屬於final（最終）、private（專用）或static（靜態）的情況下，Java編譯器才能內嵌這個方法。而且某些情況下，還要求它絕對不可以有局部變數。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：應儘可能使用緩衝。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類採用了大量同步措施，所以若使用象readFully()這樣的一個“大批量”調用，然後由自己解釋資料，就可獲得更佳的效能。也要注意Java 1.1的“reader”和“writer”類已針對效能進行了最佳化。
■造型和執行個體：造型會耗去2到200個單位的賦值時間。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：利用剪下技術，減少在repaint()中的工作量；倍增緩衝區，提高接收速度；同時利用圖形壓縮技術，縮短下載時間。來自JavaWorld的“Java Applets”以及來自Sun的“Performing Animation”是兩個很好的教程。請記著使用最貼切的命令。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效能進行了最佳化。這是用Java難於達到的。比如在複製任意長度的一個數組時，arraryCopy()比使用迴圈的速度快得多。
■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。因此，可定做特別的版本，讓它做更少的事情，但可更快地運行。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，可將原來的Vector（向量）替換成更快的動態對象數組。

1. 其他建議
■將重複的常數計算移至關鍵迴圈之外——比如計算固定長度緩衝區的buffer.length。
■static final（靜態最終）常數有助於編譯器最佳化程式。
■實現固定長度的迴圈。
■使用javac的最佳化選項：-O。它通過內嵌static，final以及private方法，從而最佳化編譯過的代碼。注意類的長度可能會增加（只對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”（JIT）編譯器會動態加速代碼。
■儘可能地將計數減至0——這使用了一個特殊的JVM位元組碼。