java性能的優(yōu)化

1、Java在九十年代中期出現(xiàn)以后，在贏得贊嘆的同時，也引來了一些批評。贏得 的贊嘆主要是Java的跨平臺的操作性，即所謂的" Write Once,Run Anywhere” . 但由于Java的性能和運(yùn)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。對于服務(wù)器端的應(yīng)用程序,由于不大涉及到界面設(shè)計和程序的頻繁重啟， Java的性能問題看似不大明顯，從而一些 Java的技術(shù)，如JSP,Servlet,EJB 等 在服務(wù)器端編程方面得到了很大的應(yīng)用,但實(shí)際上，Java的性能問題在服務(wù)器端依然存在。下面我將分四個方面來討論Java的性能和執(zhí)行效率以及提高Java 性能的一些方法。一

2、.關(guān)于性能的基本知識1 .性能的定義在我們討論怎樣提高Java的性能之前，我們需要明白“性能”的真正含 義。我們一般定義如下五個方面作為評判性能的標(biāo)準(zhǔn)。1 ）運(yùn)算的性能-哪一個算法的執(zhí)行性能最好2）內(nèi)存的分配-程序需要分配多少內(nèi)存，運(yùn)行時的效率和性能最高。3）啟動的時間-程序啟動需要多少時間。4）程序的可伸縮性-程序在用戶負(fù)載過重的情況下的表現(xiàn)。5）性能的認(rèn)識-用戶怎樣才能認(rèn)識到程序的性能。對于不同的應(yīng)用程序，對性能的要求也不同。例如，大部分的應(yīng)用程序 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；服務(wù)器端的應(yīng)用程 序通常都分配有較大的內(nèi)存空間， 所以對內(nèi)存的要求也有所降低。但是，這并

3、不 是所這兩方面的性能可以被忽略。 其次，算法的性能對于那些把商務(wù)邏輯運(yùn)用到 事務(wù)性操作的應(yīng)用程序來講非常重要。總的來講，對應(yīng)用程序的要求將決定對各 個性能的優(yōu)先級。2 .怎樣才能提高JAVA的性能提高JAVA的性能，一般考慮如下的四個主要方面：(1) 程序設(shè)計的方法和模式一個良好的設(shè)計能提高程序的性能，這一點(diǎn)不僅適用于 JAVA也適用也 任何的編程語言。因?yàn)樗浞掷昧烁鞣N資源，如內(nèi)存， CPU高諫緩存,對象緩 沖池及多線程，從而設(shè)計出高性能和可伸縮性強(qiáng)的系統(tǒng)。當(dāng)然，為了提高程序的性能而改變原來的設(shè)計是比較困難的，但是，程 序性能的重要性常常要高于設(shè)計上帶來的變化。因此，在編程開始之前就應(yīng)該

4、有 一個好的設(shè)計模型和方法。(2) JAVA布署的環(huán)境。JAVA布署的環(huán)境就是指用來解釋和執(zhí)行 JAVA字節(jié)碼的技術(shù)，一般有如 下五種。即解釋指令技術(shù)(Interpreter Technology),及時編譯的技術(shù)(Just In Time Compilier Technology),適應(yīng)性優(yōu)化技術(shù)(Adaptive OptimizationTechnology),動態(tài)優(yōu)化，提前編譯為機(jī)器碼的技術(shù)(Dynamic Optimization,Ahead Of Time Technology )和編譯為機(jī)器碼的技術(shù)(Translator Technology).這些技術(shù)一般都通過優(yōu)化線程模型，調(diào)整

5、堆和棧的大小來優(yōu)化JAVA的性 能。在考慮提高JAVA勺性能時，首先要找到影響JAVA生能的瓶頸(BottleNecks ), 在確認(rèn)了設(shè)計的合理性后，應(yīng)該調(diào)整 JAVA布署的環(huán)境，通過改變一些參數(shù)來提 高JAVA應(yīng)用程序的性能。具體內(nèi)容見第二節(jié)。(3) JAVA應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)當(dāng)討論應(yīng)用程序的性能問題時，大多數(shù)的程序員都會考慮程序的代碼， 這當(dāng)然是對的，當(dāng)更重要的是要找到影響程序性能的瓶頸代碼。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(yīng)用程序中執(zhí) 行每

6、個函數(shù)或方法所消耗掉的時間，從而改善程序的性能。(4)硬件和操作系統(tǒng)為了提高JAVA應(yīng)用程序的性能，而采用跟快的CP眺口更多的內(nèi)存，并認(rèn) 為這是提高程序性能的唯一方法，但事實(shí)并非如此。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和事實(shí)證明，只有遭到了應(yīng)用程序性能的瓶頸，從而采取適當(dāng)?shù)梅椒?，如設(shè)計模式，布署的環(huán)境， 操作系統(tǒng)的調(diào)整，才是最有效的。3 .程序中通常的性能瓶頸。所有的應(yīng)用程序都存在性能瓶頸，為了提高應(yīng)用程序的性能，就要盡可 能的減少程序的瓶頸。以下是在 JAVA程序中經(jīng)常存在的性能瓶頸。瓶聾程序中的排作丈件的讀寫出網(wǎng)珞的操作程序等特選寫數(shù)據(jù)到網(wǎng)格或硬盤CPU等待CPU空閃內(nèi)存程序不停的務(wù)能，鋅族態(tài)掃描內(nèi)存異常衽序不.新

7、的處逑異需百息同步衽序等待其事資源破釋放數(shù)據(jù)庫在外等待從數(shù)據(jù)庫中送囪結(jié)果了解了這些瓶頸后，就可以有針對性的減少這些瓶頸，從而提高JAVA應(yīng)用程序的性能4 .提高JAVA程序性能的步驟為了提高JAVA程序的性能，需要遵循如下的六個步驟。a）明確對性能的具體要求在實(shí)施一個項(xiàng)目之前，必須要明確該項(xiàng)目對于程序性能的具體要求， 如： 這個應(yīng)用程序要支持5000個并發(fā)的用戶，并且響應(yīng)時間要在 5秒鐘之內(nèi)。但同 時也要明白對于性能的要求不應(yīng)該同對程序的其他要求沖突。b） 了解當(dāng)前程序的性能你應(yīng)該了解你的應(yīng)用程序的性能同項(xiàng)目所要求性能之間的差距。通常的 指標(biāo)是單位時間內(nèi)的處理數(shù)和響應(yīng)時間，有時還會比較CPUf

8、fi內(nèi)存的利用率。c）找到程序的性能瓶頸為了發(fā)現(xiàn)程序中的性能瓶頸，通常會使用一些分析工具，如： TowerJ Application Performance Analyzer或VTune來察看和分析程序堆棧中各個元素的消耗時間，從而正確的找到并改正引起性能降低的瓶頸代碼，從而提高程序 的性能。這些工具還能發(fā)現(xiàn)諸如過多的異常處理，垃圾回收等潛在的問題。d）采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣咝阅苷业搅艘鸪绦蛐阅芙档偷钠款i代碼后，我們就可以用前面介紹過的提 高性能的四個方面，即設(shè)計模式，JAVA代碼的實(shí)現(xiàn)，布署JAVAB環(huán)境和操作系 統(tǒng)來提高應(yīng)用程序的性能。具體內(nèi)容將在下面的內(nèi)容中作詳細(xì)說明。e）只進(jìn)行某一方面

9、的修改來提高性能一次只改變可能引起性能降低的某一方面，然后觀察程序的性能是否有 所提高，而不應(yīng)該一次改變多個方面，因?yàn)檫@樣你將不知道到底哪個方面的改變 提高了程序的性能，哪個方面沒有，即不能知道程序瓶頸在哪。f）返回到步驟c,繼續(xù)作類似的工作，一直達(dá)到要求的性能為止。二.JAVA布署的環(huán)境和編譯技術(shù)開發(fā)JAVA用程序時，首先把JAVA勺源程序編譯為與平臺無關(guān)的字節(jié)碼。 這些字節(jié)碼就可以被各種基于 JVM的技術(shù)所執(zhí)行。這些技術(shù)主要分為兩個大類。 即基于解釋的技術(shù)和基于提前編譯為本地碼的技術(shù)。其示意圖如下：Java Development ToolPhtforn Independent Java

10、BytecodeJava Virtual Machiiw& BuildAhead of I imp CompilersPlatform Specific Deploy able ModuleINIJJsAnJd 巖Inlerpr&tersJITSDynamic AdaptiveMix-Mode Interpreters具體可分為如下的五類:a）解釋指令技術(shù)其結(jié)構(gòu)圖和執(zhí)行過程如下:Fig. Ihr rchirecnireJAVA的編譯器首先把JAVA源文件編譯為字節(jié)碼。這些字節(jié)碼對于 JAVA 虛擬機(jī)(JVM)來講就是機(jī)器的指令碼。然后，JAVA的解釋器不斷的循環(huán)取出字節(jié) 碼進(jìn)行

11、解釋并執(zhí)行。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)JAVA語言的跨平臺，同時生成的字節(jié)碼也比較緊 湊。JAVA的一些優(yōu)點(diǎn)，如安全性,動態(tài)性都得保持；但缺點(diǎn)是省生成的字節(jié)碼 沒有經(jīng)過什么優(yōu)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(shù)(Just In Time )及時編譯技術(shù)是為了解決指令解釋技術(shù)效率比較低，速度比較慢的情況下提出的，具結(jié)構(gòu)圖如下所示。Eig. 2 Tlic archinicnirc其主要變化是在JAVA程序執(zhí)行之前，又JIT編譯器把JAVA的字節(jié)碼編 譯為機(jī)器碼。從而在程序運(yùn)行時直接執(zhí)行機(jī)器碼， 而不用對字節(jié)碼進(jìn)行解釋。同 時對代碼也進(jìn)行了部分的優(yōu)化。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是大大提高了 JA

12、VA程序的性能。同時，由于編譯的結(jié)果并 不在程序運(yùn)行間保存，因此也節(jié)約了存儲空間了加載程序的時間:缺點(diǎn)是由于 JIT編譯器對所有的代碼都想優(yōu)化，因此也浪費(fèi)了很多的時間。IBM和SUN司都提供了相關(guān)的JIT產(chǎn)品c) 適應(yīng)性優(yōu)化技術(shù)(Adaptive Optimization Technology )同JIT技術(shù)相比，適應(yīng)性優(yōu)化技術(shù)并不對所有的字節(jié)碼進(jìn)行優(yōu)化。它會 跟蹤程序運(yùn)行的成個過程，從而發(fā)現(xiàn)需要優(yōu)化的代碼，對代碼進(jìn)行動態(tài)的優(yōu)化。 對優(yōu)化的代碼，采取80/20的策略。從理論上講，程序運(yùn)行的時間越長，代碼就 越優(yōu)化。具結(jié)構(gòu)圖如下：其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性優(yōu)化技術(shù)充分利用了程序執(zhí)行時的信息，發(fā)行程序的性 能

13、瓶頸，從而提高程序的性能；具缺點(diǎn)是在進(jìn)行優(yōu)化時可能會選擇不當(dāng)，發(fā)而降低了程序的性能。其主要產(chǎn)品又舊M,SUN的HotSpot.d) 動態(tài)優(yōu)化，提前編譯為機(jī)器碼的技術(shù)(Dynamic Optimization,Ahead Of Time)動態(tài)優(yōu)化技術(shù)充分利用了 JAVA源碼編譯，字節(jié)碼編譯，動態(tài)編譯和靜態(tài) 編譯的技術(shù)。其輸入時JAVA的原碼或字節(jié)碼，而輸出是經(jīng)過高度優(yōu)化的可執(zhí)行 代碼和個來動態(tài)庫的混合(Window中是DLL文件，UNIX中是共享庫.a .so文件)。 其結(jié)構(gòu)如下：Eteploynient and 門加班序口電 toolsHigh perfomanr-e native exeru

14、ta ble w：il)Vlbig, 4 Ihe architprnir其優(yōu)點(diǎn)是能大大提高程序的性能；缺點(diǎn)是破壞了 JAVA勺可移植性，也對 JAVA的安全帶來了 一定的隱患。其主要產(chǎn)品是TowerJ3.0三.優(yōu)化JAVA程序設(shè)計和編碼，提高JAVA程序性能的一些方法。通過使用一些前面介紹過的輔助性工具來找到程序中的瓶頸，然后就可 以對瓶頸部分的代碼進(jìn)行優(yōu)化。一般有兩種方案：即優(yōu)化代碼或更改設(shè)計方法。 我們一般會選擇后者，因?yàn)椴蝗フ{(diào)用以下代碼要比調(diào)用一些優(yōu)化的代碼更能提高 程序的性能。而一個設(shè)計良好的程序能夠精簡代碼，從而提高性能。下面將提供一些在JAVA程序的設(shè)計和編碼中，為了能夠提高 JA

15、VA程序 的性能，而經(jīng)常采用的一些方法和技巧。1 .對象的生成和大小的調(diào)整。JAVA程序設(shè)計中一個普遍的問題就是沒有好好的利用JAVA語言本身提供的函數(shù)，從而常常會生成大量的對象(或?qū)嵗?。由于系統(tǒng)不僅要花時間生成 對象，以后可能還需花時間對這些對象進(jìn)行垃圾回收和處理。因此，生成過多的對象將會給程序的性能帶來很大的影響。例 1:關(guān)于 String ,StringBuffer , + 和 appendJAVA語言提供了對于String類型變量的操作。但如果使用不當(dāng)，會給 程序的性能帶來影響。如下面的語句：String name=new String( "HuangWeiFeng );S

16、ystem.out.println(name+ “ is my name " );看似已經(jīng)很精簡了，其實(shí)并非如此。為了生成二進(jìn)制的代碼，要進(jìn)行如 下的步驟和操作。(1) 生成新的字符串new String(STR_1);(2)復(fù)制該字符串。(3)加載字符串常量" HuangWeiFeng (STR_2);(4) 調(diào)用字符串的構(gòu)架器(Constructor );(5)保存該字符串到數(shù)組中(從位置 0開始)(6) 從java.io.PrintStream類中得到靜態(tài)的out變量(7) 生成新的字符串緩沖變量 new StringBuffer(STR_BUF_1);(8)復(fù)制該字

17、符串緩沖變量(9)調(diào)用字符串緩沖的構(gòu)架器(Constructor );(10)保存該字符串緩沖到數(shù)組中(從位置 1開始)(11)以STR_1為參數(shù)，調(diào)用字符串緩沖(StringBuffer) 類中的append 方法。(12) 加載字符串常量" is my name "(STR_3);(13)以STR劃參數(shù)，調(diào)用字符串緩沖(StringBuffer) 類中的append 方法。(14) 對于 STRBUF執(zhí)行 toString 命令。(15)調(diào)用out變量中的println 方法，輸出結(jié)果。由此可以看出，這兩行簡單的代碼，就生成了 STR_1,STR_2,STR_3,STR

18、_4 和STR_BUF_五個對象變量。這些生成的類的實(shí)例一般都存最在堆后。心對所有類的后類，類的實(shí)例進(jìn)行初始化，同時還要調(diào)用類極其每個超類的構(gòu)架器。而這些操作都是非常消耗系統(tǒng)資源的。因此，對對象的生成進(jìn)行限制，是完全有必要的。經(jīng)修改，上面的代碼可以用如下的代碼來替換。StringBuffer name=new StringBuffer( "HuangWeiFeng );System.out.println(name.append( "is my name. ").toString();系統(tǒng)將進(jìn)行如下的操作。(1) 生成新的字符串緩沖變量new StringBuff

19、er(STR_BUF_1);(2)復(fù)制該字符串緩沖變量(3) 加載字符串常量" HuangWeiFeng (STR_1);(4)調(diào)用字符串緩沖的構(gòu)架器(Constructor );(5)保存該字符串緩沖到數(shù)組中(從位置 1開始)(6) 從java.io.PrintStream類中得到靜態(tài)的out變量(7)加載 STR_BUF_1;(8) 加載字符串常量" is my name "(STR_2);(9) 以STR_2為參數(shù)，調(diào)用字符串緩沖(StringBuffer)實(shí)例中的append方法。(10)對于 STR_BUF_執(zhí)行 toString 命令。(STR_3)(

20、11)調(diào)用out變量中的println 方法，輸出結(jié)果。由此可以看出，經(jīng)過改進(jìn)后的代碼只生成了四個對象變量：STR_1,STR_2,STR_3和STR_BUF_1可能覺得少生成一個對象不會對程序的性能有很大而提高。但下面的用碼段2的執(zhí)行速度將是代碼段1的2倍。因?yàn)榇a段1生成了八個對象，而代碼段2只生成了四個對象。代碼段1:String name= new StringBuffer( "HuangWeiFeng );_ 力name+= is my ;name+= name ;代碼段2:StringBuffer name=new StringBuffer( "HuangWei

21、Feng );name.append( “is my” );name.append( "name." ).toString();因此，充分的利用JAVA提供的庫函數(shù)來優(yōu)化程序，對提高 JAVA程序的 性能時非常重要的.其注意點(diǎn)主要有如下幾方面；(1) 盡可能的使用靜態(tài)變量(Static Class Variables如果類中的變量不會隨他的實(shí)例而變化，就可以定義為靜態(tài)變量，從而 使他所有的實(shí)例都共享這個變量。例:public class fooSomeObject so=new SomeObject();就可以定義為：public class foostatic SomeO

22、bject so=new SomeObject();(2)不要對已生成的對象作過多的改變。對于一些類(如：String類)來講，寧愿在重新生成一個新的對象實(shí)例， 而不應(yīng)該修改已經(jīng)生成的對象實(shí)例。例：String name= " Huang'name二 Wei” ;name= Feng ;上述代碼生成了三個String類型的對象實(shí)例。而前兩個馬上就需要系統(tǒng) 進(jìn)行垃圾回收處理。如果要對字符串進(jìn)行連接的操作， 性能將得更差。因?yàn)橄到y(tǒng) 將不得為此生成更多得臨時變量。如上例 1所示。(3)生成對象時，要分配給它合理的空間和大小JAVA中的很多類都有它的默認(rèn)的空間分配大小。對于 Stri

23、ngBuffer 類 來講，默認(rèn)的分配空間大小是16個字符。如果在程序中使用StringBuffer 的空 間大小不是16個字符，那么就必須進(jìn)行正確的初始化。(4)避免生成不太使用或生命周期短的對象或變量。對于這種情況，因該定義一個對象緩沖池。以為管理一個對象緩沖池的 開銷要比頻繁的生成和回收對象的開銷小的多。(5)只在對象作用范圍內(nèi)進(jìn)行初始化。JAVA允許在代碼的任何地方定義和初始化對象。這樣，就可以只在對象 作用的范圍內(nèi)進(jìn)行初始化。從而節(jié)約系統(tǒng)的開銷。例：SomeObject so=new SomeObject();If(x=1) thenFoo=so.getXX();可以修改為：if(x

24、=1) thenSomeObject so=new SomeObject();Foo=so.getXX();2 .異常(Exceptions)JAVA語言中提供了 try/catch來發(fā)方便用戶捕捉異常，進(jìn)行異常的處理。 但是如果使用不當(dāng)，也會給JAVA程序的性能帶來影響。因此，要注意以下兩點(diǎn)。(1)避免對應(yīng)用程序的邏輯使用try/catch如果可以用if,while等邏輯語句來處理，那么就盡可能的不用try/catch 語句(2)重用異常在必須要進(jìn)行異常的處理時，要盡可能的重用已經(jīng)存在的異常對象。以 為在異常的處理中，生成一個異常對象要消耗掉大部分的時間。3 .線程(Threading)一個

25、高性能的應(yīng)用程序中一般都會用到線程。因?yàn)榫€程能充分利用系統(tǒng) 的資源。在其他線程因?yàn)榈却脖P或網(wǎng)絡(luò)讀寫而時，程序能繼續(xù)處理和運(yùn)行。但是對線程運(yùn)用不當(dāng)，也會影響程序的性能。例2：正確使用Vector類Vector主要用來保存各種類型的對象(包括相同類型和不同類型的對 象)。但是在一些情況下使用會給程序帶來性能上的影響。這主要是由 Vector 類的兩個特點(diǎn)所決定的。第一，Vector提供了線程的安全保護(hù)功能。即使Vector 類中的許多方法同步。但是如果你已經(jīng)確認(rèn)你的應(yīng)用程序是單線程，這些方法的 同步就完全不必要了。第二，在 Vector查找存儲的各種對象時、常常要花很多 的時間進(jìn)行類型的匹配。而

26、當(dāng)這些對象都是同一類型時，這些匹配就完全不必要了。因此，有必要設(shè)計一個單線程的，保存特定類型對象的類或集合來替代 Vector類.用來替換的程序如下(StringVector.java ):public class StringVectorprivate String 口 data;private int count;public StringVector() this(10); / default size is 10 public StringVector(int initialSize)data = new StringinitialSize; public void add(Strin

27、g str)/ ignore null stringsif(str = null) return; ensureCapacity(count + 1);datacount+ = str;private void ensureCapacity(int minCapacity)int oldCapacity = data.length;if (minCapacity > oldCapacity)String oldData口 = data;int newCapacity = oldCapacity * 2;data = new StringnewCapacity;System.arrayco

28、py(oldData, 0, data, 0, count);public void remove(String str)if(str = null) return / ignore null str for(int i = 0; i < count; i+)/ check for a matchif(datai.equals(str)System.arraycopy(data,i+1,data,i,count-1); / copy data/ allow previously valid array element be gc'd data-count = null;retur

29、n;public final String getStringAt(int index) if(index < 0) return null; else if(index > count) return null; / index is > # strings else return dataindex; / index is good /* * * * * * * * * * * * * * * *StringVector.java * * * * * * * * * * * * * * * * */因此，代碼:Vector Strings=new Vector();Str

30、ings.add( "OnS );Strings.add("Two );String Second=(String)Strings.elementAt(1);可以用如下的代碼替換:StringVector Strings=new StringVector();Strings.add( "OnS );Strings.add("TwS );String Second=Strings.getStringAt(1);這樣就可以通過優(yōu)化線程來提高JAVA程序的性能。用于測試的程序如下(TestCollection.java ):import java.util.V

31、ector;public class TestCollectionpublic static void main(String args )TestCollection collect = new TestCollection();if(args.length = 0)System.out.println("Usage: java TestCollection vector | stringvector ");System.exit(1);if(args0.equals("vector")Vector store = new Vector();long

32、start = System.currentTimeMillis();for(int i = 0; i < 1000000; i+) store.addElement("string");long finish = System.currentTimeMillis();System.out.println(finish-start);start = System.currentTimeMillis();for(int i = 0; i < 1000000; i+)String result = (String)store.elementAt(i);finish

33、= System.currentTimeMillis();System.out.println(finish-start);else if(args0.equals("stringvector")StringVector store = new StringVector();long start = System.currentTimeMillis();for(int i = 0; i < 1000000; i+) store.add("string"); long finish = System.currentTimeMillis();Syste

34、m.out.println(finish-start);start = System.currentTimeMillis();for(int i = 0; i < 1000000; i+) String result = store.getStringAt(i);finish = System.currentTimeMillis();System.out.println(finish-start);*/* * * * * * * * * * * * * * * *TestCollection.java測試的結(jié)果如下(假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的時間為1,越小性能越好)：測謨的細(xì)果如下HU設(shè)行道的時間為1 ,越，卜杜能越好上株ftaddSetfector 美11StringVctor 美0.7QJ5關(guān)于線程的操作，要注意如下幾個方面。(1)防止過多的同步如上所示，不必要的同步常常會造成程序性能的下降。因此，如果程序 是單線程，則一定不要使用同步。(2)同步方法而不要同步整個代碼段對某個方法或函數(shù)進(jìn)行同步比對整個代碼段進(jìn)行同步的性能要好。(3)對每個對象使用多“鎖”的機(jī)制來增大并發(fā)。一般每個對象都只有一個“鎖”，這就表明如果兩個線程執(zhí)行一個對象 的兩個不同的同步方法時，會發(fā)生“死鎖”。即使這兩個方法并不共享任何資源 為了避