Java程序性能優(yōu)化之編程技巧總結(jié)
程序的性能受代碼質(zhì)量的直接影響。在本文中，主要介紹一些代碼編寫的小技巧和慣例，這些技巧有助于在代碼級別上提升系統(tǒng)性能。
1、慎用異常
在Java軟件開發(fā)中，經(jīng)常使用 try-catch 進(jìn)行錯誤捕獲，但是，try-catch 語句對系統(tǒng)性能而言是非常糟糕的。雖然在一次 try-catch中，無法察覺到它對性能帶來的損失，但是，一旦try-catch被應(yīng)用于循環(huán)之中，就會給系統(tǒng)性能帶來極大的傷害。
以下是一段將try-catch應(yīng)用于for循環(huán)內(nèi)的示例
- public void test() {
- int a = 0;
- for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
- try {
- a = a + 1;
- System.out.println(i);
- } catch (Exception e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
這段代碼我運行時間是 27211 ms。如果將try-catch移到循環(huán)體外，那么就能提升系統(tǒng)性能，如下代碼
- public void test() {
- int a = 0;
- try {
- for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
- a = a + 1;
- System.out.println(i);
- }
- } catch (Exception e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
運行耗時 15647 ms。可見tyr-catch對系統(tǒng)性能的影響。
2、使用局部環(huán)境
調(diào)用方法時傳遞的參數(shù)以及在調(diào)用中創(chuàng)建的臨時變量都保存在棧(Stack)中，速度較快。其他變量，如靜態(tài)變量、實例變量等，都在堆(Heap)中創(chuàng)建，速度較慢。
下面是一段測試用例
- // private static int a = 0;
- public static void main(String[] args) {
- int a = 0;
- long start = System.currentTimeMillis();
- for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
- a = a + 1;
- System.out.println(i);
- }
- System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
- }
運行結(jié)果很明顯，使用靜態(tài)變量耗時15677ms，使用局部變量耗時13509ms。由此可見，局部變量的訪問速度高于類的成員變量。
3、位運算代替乘除法
在所有的運算中，位運算是最為高效的。因此，可以嘗試使用位運算代替部分算術(shù)運算，來提高系統(tǒng)的運行速度。
比如在HashMap的源碼中使用了位運算
- static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16
- static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30;
對于整數(shù)的乘除運算優(yōu)化
- a*=2
- a/=2
用位運算可以寫為
- a<<=1a>>=1
4、替換switch
關(guān)鍵字 switch 語句用于多條件判斷， switch 語句的功能類似于 if-else 語句，兩者性能也差不多。因此，不能說 switch 語句會降低系統(tǒng)的性能。但是，在絕大部分情況下，switch 語句還是有性能提升空間的。
來看下面的例子：
- public static void main(String[] args) {
- long start = System.currentTimeMillis();
- int re = 0;
- for (int i = 0;i<1000000;i++){
- re = switchInt(i);
- System.out.println(re);
- }
- System.out.println(System.currentTimeMillis() - start+"毫秒");//17860
- }
- public static int switchInt(int z){
- int i = z%10+1;
- switch (i){
- case 1:return 3;
- case 2:return 6;
- case 3:return 7;
- case 4:return 8;
- case 5:return 10;
- case 6:return 16;
- case 7:return 18;
- case 8:return 44;
- default:return -1;
- }
- }
就分支邏輯而言，這種 switch 模式的性能并不差。但是如果換一種新的思路替代switch，實現(xiàn)相同的程序功能，性能就能有很大的提升空間。
- public static void main(String[] args) {
- long start = System.currentTimeMillis();
- int re = 0;
- int[] sw = new int[]{0,3,6,7,8,10,16,18,44};
- for (int i = 0;i<1000000;i++){
- re = arrayInt(sw,i);
- System.out.println(re);
- }
- System.out.println(System.currentTimeMillis() - start+"毫秒");//12590
- }
- public static int arrayInt(
- int[] sw,int z){
- int i = z%10+1;
- if (i>7 || i<1){
- return -1;
- }else {
- return sw[i];
- }
- }
以上代碼使用全新的思路，使用一個連續(xù)的數(shù)組代替了 switch 語句。因為對數(shù)據(jù)的隨機(jī)訪問是非常快的，至少好于 switch 的分支判斷。通過實驗，使用switch的語句耗時17860ms，使用數(shù)組的實現(xiàn)只耗時12590ms，提升了5s多。在軟件開發(fā)中，換一種思路可能會取得更好的效果，比如使用數(shù)組替代switch語句就是就是一個很好的例子。
5、一維數(shù)組代替二維數(shù)組
由于數(shù)組的隨機(jī)訪問的性能非常好，許多JDK類庫，如ArrayList、Vector等都是使用了數(shù)組作為其數(shù)組實現(xiàn)。但是，作為軟件開發(fā)人員也必須知道，一位數(shù)組和二維數(shù)組的訪問速度是不一樣的。一位數(shù)組的訪問速度要優(yōu)于二維數(shù)組。因此，在性能敏感的系統(tǒng)中要使用二維數(shù)組的，可以嘗試通過可靠地算法，將二維數(shù)組轉(zhuǎn)為一維數(shù)組再進(jìn)行處理，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
6、提取表達(dá)式
在軟件開發(fā)過程中，程序員很容易有意無意讓代碼做一些“重復(fù)勞動”，在大部分情況下，由于計算機(jī)的告訴運行，這些“重復(fù)勞動”并不會對性能構(gòu)成太大的威脅，但若將系統(tǒng)性能發(fā)揮到***，提取這些“重復(fù)勞動”相當(dāng)有意義。
來看下面的測試用例：
- @Test
- public void test(){
- long start = System.currentTimeMillis();
- ArrayList list = new ArrayList();
- for (int i = 0;i<100000;i++){
- System.out.println(list.add(i));
- } //以上是為了做準(zhǔn)備
- for (int i = 0;i<list.size();i++){
- System.out.println(list.get(i));
- }
- System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);//5444
- }
如果我們把list.size()方法提取出來，優(yōu)化后的代碼如下：
- @Test
- public void test(){
- long start = System.currentTimeMillis();
- ArrayList list = new ArrayList();
- for (int i = 0;i<100000;i++){
- System.out.println(list.add(i));
- } //以上是為了做準(zhǔn)備
- int n = list.size();
- for (int i = 0;i<n;i++){
- System.out.println(list.get(i));
- }
- System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);//3514
- }
在我的機(jī)器上，前者耗時5444ms，后者耗時3514ms，相差2s左右，可見，提取重復(fù)的操作是相當(dāng)有意義的。
7、展開循環(huán)
與前面所介紹的優(yōu)化技巧略有不同，筆者認(rèn)為展開循環(huán)是一種在極端情況下使用的優(yōu)化手段，因為展開循環(huán)很可能會影響代碼的可讀性和可維護(hù)性，而這兩者對軟件系統(tǒng)來說也是極為重要的。但是，當(dāng)性能問題成為系統(tǒng)主要矛盾時，展開循環(huán)絕對是一種值得嘗試的技術(shù)。
8、布爾運算代替位運算
雖然位運算的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于算術(shù)運算，但是在條件判斷時，使用位運算替代布爾運算卻是非常錯誤的選擇。
在條件判斷時，Java會對布爾運算做相當(dāng)充分的優(yōu)化。假設(shè)有表達(dá)式 a,b,c 進(jìn)行布爾運算“a&&b&&c” ，根據(jù)邏輯與的特點，只要在整個布爾表達(dá)式中有一項返回false，整個表達(dá)式就返回false，因此，當(dāng)表達(dá)式a為false時，該表達(dá)式將立即返回 false ，而不會再去計算表達(dá)式b 和c。同理，當(dāng)計算表達(dá)式為“a||b||c”時，也是一樣。
若使用位運算(按位與”&“、按位或”|“)代替邏輯與和邏輯或，雖然位運算本身沒有性能問題，但是位運算總是要將所有的子表達(dá)式全部計算完成后，再給出最終結(jié)果。因此，從這個角度來說，使用位運算替代布爾運算會使系統(tǒng)進(jìn)行很多無效計算。
9、使用arrayCopy()
數(shù)組復(fù)制是一項使用頻率很高的功能，JDK中提供了一個高效的API來實現(xiàn)它：
如果在應(yīng)用程序需要進(jìn)行數(shù)組復(fù)制，應(yīng)該使用這個函數(shù)，而不是自己實現(xiàn)。
方法代碼：
- public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length);
它的用法是將源數(shù)組 src 從索引 srcPos 處復(fù)制到目標(biāo)數(shù)組 dest 的 索引destPos處，復(fù)制的長度為 length。
System.arraycopy() 方法是 native 方法，通常 native 方法的性能要優(yōu)于普通的方法。僅出于性能考慮，在軟件開發(fā)中，盡可能調(diào)用 native 方法。
10、使用Buffer進(jìn)行I/O流操作
除NIO外，使用 Java 進(jìn)行 I/O操作有兩種基本方法：
- 使用基于InputStream 和 OutputStream 的方式;(字節(jié)流)
- 使用 Writer 和 Reader。(字符流)
無論使用哪種方式進(jìn)行文件 I/O，如果能合理地使用緩沖，就能有效的提高I/O的性能。
11、使用clone()代替new
在Java中新建對象實例最常用的方法是使用 new 關(guān)鍵字。JDK對 new 的支持非常好，使用 new 關(guān)鍵字創(chuàng)建輕量級對象時，速度非常快。但是，對于重量級對象，由于對象在構(gòu)造函數(shù)中可能會進(jìn)行一些復(fù)雜且耗時的操作，因此，構(gòu)造函數(shù)的執(zhí)行時間可能會比較長。導(dǎo)致系統(tǒng)短期內(nèi)無法獲得大量的實例。為了解決這個問題，可以使用Object.clone() 方法。
Object.clone() 方法可以繞過構(gòu)造函數(shù)，快速復(fù)制一個對象實例。但是，在默認(rèn)情況下，clone()方法生成的實例只是原對象的淺拷貝。
這里不得不提Java只有值傳遞了，關(guān)于這點，我的理解是基本數(shù)據(jù)類型引用的是值，普通對象引用的也是值，不過這個普通對象引用的值其實是一個對象的地址。代碼示例：
- int i = 0; int j = i; //i的值是0
- User user1 = new User();
- User user2 = user1; //user1值是new User()的內(nèi)存地址
如果需要深拷貝，則需要重新實現(xiàn) clone() 方法。下面看一下ArrayList實現(xiàn)的clone()方法：
- public Object clone() {
- try {
- ArrayList<?> v = (ArrayList<?>) super.clone();
- v.elementData = Arrays.copyOf(elementData, size);
- v.modCount = 0;
- return v;
- } catch (CloneNotSupportedException e) {
- // this shouldn't happen, since we are Cloneable
- throw new InternalError(e);
- }
- }
在ArrayList的clone()方法中，首先使用 super.clone() 方法生成一份淺拷貝對象。然后拷貝一份新的elementData數(shù)組讓新的ArrayList去引用。使克隆后的ArrayList對象與原對象持有不同的引用，實現(xiàn)了深拷貝。
12、靜態(tài)方法替代實例方法
使用 static 關(guān)鍵字描述的方法為靜態(tài)方法。在Java中，由于實例方法需要維護(hù)一張類似虛函數(shù)表的結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)對多態(tài)的支持。與靜態(tài)方法相比，實例方法的調(diào)用需要更多的資源。因此，對于一些常用的工具類方法，沒有對其進(jìn)行重載的必要，那么將它們聲明為 static，便可以加速方法的調(diào)用。同時，調(diào)用 static 方法不需要生成類的實例。比調(diào)用實例方法更為方便、易用。
