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Java性能(转贴)

上一篇 / 下一篇  2007-01-18 09:02:46 / 个人分类:性能测试

 

Java语言特别强调准确性,但可靠的行为要以性能作为代价。这一特点反映在自动收集垃圾、严格的运行期检查、完整的字节码检查以及保守的运行期同步等等方面。对一个解释型的虚拟机来说,由于目前有大量平台可供挑选,所以进一步阻碍了性能的发挥。51Testing软件测试网LxR?0Z]kO

"先做完它,再逐步完善。幸好需要改进的地方通常不会太多。"Steve McConnell的《About performance[16]

mA9N/p-C:Tmc0

本附录的宗旨就是指导大家寻找和优化"需要完善的那一部分"

7R9I&D"J.Hs ae0

 51Testing软件测试网"m.z{5X!IJ0wjF

1      基本方法

k%BF$w[)w'{r0

只有正确和完整地检测了程序后,再可着手解决性能方面的问题:

4ard+UZoM C0

(1)  在现实环境中检测程序的性能。若符合要求,则目标达到。若不符合,则转到下一步。

Y&\EK8K1X5Jq(R(G&lr0

(2)  寻找最致命的性能瓶颈。这也许要求一定的技巧,但所有努力都不会白费。如简单地猜测瓶颈所在,并试图进行优化,那么可能是白花时间。51Testing软件测试网7UfR3wLCAgH3s6h

(3)  运用本附录介绍的提速技术,然后返回步骤1

AO5J!zf9d8qT0

为使努力不至白费,瓶颈的定位是至关重要的一环。Donald Knuth[9]曾改进过一个程序,那个程序把50%的时间都花在约4%的代码量上。在仅一个工作小时里,他修改了几行代码,使程序的执行速度倍增。此时,若将时间继续投入到剩余代码的修改上,那么只会得不偿失。

k @#dQ0Cs0

Knuth在编程界有一句名言:"过早的优化是一切麻烦的根源"Premature optimization is the root of all evil)。最明智的做法是抑制过早优化的冲动,因为那样做可能遗漏多种有用的编程技术,造成代码更难理解和操控,并需更大的精力进行维护。

.z3Nd#F"ie*~he5s0

2      寻找瓶颈51Testing软件测试网Z J d"Kh

为找出最影响程序性能的瓶颈,可采取下述几种方法:

1o|%w/M0U&ph lF3m0

 51Testing软件测试网%C0|QQ+Zu!O

1)    安插自己的测试代码51Testing软件测试网^nle1? kBm

插入下述"显式"计时代码,对程序进行评测:51Testing软件测试网4m)B cp0qwH

long start = System.currentTimeMillis();

7g#\Xd/oE;Z0

//要计时的运算代码放在这儿51Testing软件测试网uoj*|BF.or!`8e)v

long time = System.currentTimeMillis() - start;51Testing软件测试网~$I} n7j8S2Nd ^

利用System.out.println(),让一种不常用到的方法将累积时间打印到控制台窗口。由于一旦出错,编译器会将其忽略,所以可用一个"静态最终布尔值"Static final boolean)打开或关闭计时,使代码能放心留在最终发行的程序里,这样任何时候都可以拿来应急。尽管还可以选用更复杂的评测手段,但若仅仅为了量度一个特定任务的执行时间,这无疑是最简便的方法。

Z V5C[l:I7Q~0

System.currentTimeMillis()返回的时间以千分之一秒(1毫秒)为单位。然而,有些系统的时间精度低于1毫秒(如Windows PC),所以需要重复n次,再将总时间除以n,获得准确的时间。51Testing软件测试网2oj']3yZ&z$Ah(P

 

F}#{r^3S-^u'e0

2)    JDK性能评测[2]

6F4wx/F*q0

JDK配套提供了一个内建的评测程序,能跟踪花在每个例程上的时间,并将评测结果写入一个文件。不幸的是,JDK评测器并不稳定。它在JDK 1.1.1中能正常工作,但在后续版本中却非常不稳定。

j2^KwL0

为运行评测程序,请在调用Java解释器的未优化版本时加上-prof选项。例如:

V@.?I:}0

java_g -prof myClass

l!H4`s;^"I!~0

或加上一个程序片(Applet):

(r0CIn/sX SH0

java_g -prof sun.applet.AppletViewer applet.html51Testing软件测试网tk\"MFz+Q,x;?g

理解评测程序的输出信息并不容易。事实上,在JDK 1.0中,它居然将方法名称截短为30字符。所以可能无法区分出某些方法。然而,若您用的平台确实能支持-prof选项,那么可试试Vladimir Bulatov"HyperPorf"[3]或者Greg White"ProfileViewer"来解释一下结果。51Testing软件测试网j^4]5Q(k.^$b

 51Testing软件测试网zy$w#Cm!p~5oY

3)    特殊工具

U)\ gA R gH0

如果想随时跟上性能优化工具的潮流,最好的方法就是作一些Web站点的常客。比如由Jonathan Hardwick制作的"Tools for Optimizing Java"Java优化工具)网站:51Testing软件测试网 bcfbb9M0\

http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/tools.html

1xWy IWe$i0

 51Testing软件测试网:F3XyX:|$P#D4F

4)    性能评测的技巧

:r|(m f:Y*\Ip0

■由于评测时要用到系统时钟,所以当时不要运行其他任何进程或应用程序,以免影响测试结果。51Testing软件测试网,q2D i;Nn9j0[

■如对自己的程序进行了修改,并试图(至少在开发平台上)改善它的性能,那么在修改前后应分别测试一下代码的执行时间。

s7O7Z!]1^)oS&T0

■尽量在完全一致的环境中进行每一次时间测试。51Testing软件测试网 | ~SZ{8@

■如果可能,应设计一个不依赖任何用户输入的测试,避免用户的不同反应导致结果出现误差。

.T5W8~v\v0z6P0

 

pL?z!]@%{6~"e0

3      提速方法

8uI#P;l^ R4a0

现在,关键的性能瓶颈应已隔离出来。接下来,可对其应用两种类型的优化:常规手段以及依赖Java语言。

s*GO8j,B8l3FeaY0

 51Testing软件测试网#Y,igmR

1)    常规手段51Testing软件测试网+vIU(si;z

通常,一个有效的提速方法是用更现实的方式重新定义程序。例如,在《Programming Pearls》(编程拾贝)一书中[14]Bentley利用了一段小说数据描写,它可以生成速度非常快、而且非常精简的拼写检查器,从而介绍了Doug McIlroy对英语语言的表述。除此以外,与其他方法相比,更好的算法也许能带来更大的性能提升--特别是在数据集的尺寸越来越大的时候。欲了解这些常规手段的详情,请参考本附录末尾的"一般书籍"清单。51Testing软件测试网#B*eo wR^ss

 51Testing软件测试网m"y"yK|Mp T

2)    依赖语言的方法51Testing软件测试网4a+si0L-D zMg

为进行客观的分析,最好明确掌握各种运算的执行时间。这样一来,得到的结果可独立于当前使用的计算机--通过除以花在本地赋值上的时间,最后得到的就是"标准时间"

;g&R9J A dq0

 51Testing软件测试网nxx|yn"`;fz

运算示例标准时间

!^BK)_W1z.e0

 

#gPd{ {u0

本地赋值i=n; 1.051Testing软件测试网M#D)\6aB9| T

实例赋值this.i=n; 1.251Testing软件测试网7].Sr [!l H

int增值i++; 1.551Testing软件测试网BX8]n1{ jj

byte增值b++; 2.0

"i7L"@:z6i1|pb0

short增值s++; 2.0

in!{[)k pM w0

float增值f++; 2.0

[N+RZF!w&w6A0

double增值d++; 2.051Testing软件测试网-zG1l P7U!Z{

空循环while(true) n++; 2.0

C1{#WNQv z0

三元表达式(x<0) ?-x : x 2.2

/[s#Y hlv#|/G^+K,[0

算术调用Math.abs(x); 2.5

1b&L,}6Lp f0

数组赋值a[0] = n; 2.7

^ I @FA"{0

long增值l++; 3.551Testing软件测试网_0z(^:a!o

方法调用funct(); 5.951Testing软件测试网Q+OK0G'}{ N,s T

throwcatch异常try{ throw e; }catch(e){} 320

9RHWER6W0

同步方法调用synchMehod(); 570

m7lu ~'GC0

新建对象new Object(); 980

BCQ!M8{Fg7pY0

新建数组new int[10]; 310051Testing软件测试网VBZ*AY#K

 

Zp\9cK0

通过自己的系统(如我的Pentium 200 ProNetscape 3JDK 1.1.5),这些相对时间向大家揭示出:新建对象和数组会造成最沉重的开销,同步会造成比较沉重的开销,而一次不同步的方法调用会造成适度的开销。参考资源[5][6]为大家总结了测量用程序片的Web地址,可到自己的机器上运行它们。51Testing软件测试网PR0E!@d#g

 51Testing软件测试网k:U)PHM7oo^U"y O

1.常规修改51Testing软件测试网R/y |!kB]w,zj

下面是加快Java程序关键部分执行速度的一些常规操作建议(注意对比修改前后的测试结果)。

.jZ?|8UJ:_0

 51Testing软件测试网#_1viIr U9P4Z

...修改成...理由51Testing软件测试网(DEl7S;n3H&|L:A0i8b

 

#Q{G/M$Y TT-St0

接口抽象类(只需一个父时)接口的多个继承会妨碍性能的优化

7t6^(~7H2h+Gwr0

非本地或数组循环变量本地循环变量根据前表的耗时比较,一次实例整数赋值的时间是本地整数赋值时间的1.2倍,但数组赋值的时间是本地整数赋值的2.7

B@RL(k`c"t0

链接列表(固定尺寸)保存丢弃的链接项目,或将列表替换成一个循环数组(大致知道尺寸)每新建一个对象,都相当于本地赋值980次。参考"重复利用对象"(下一节)、Van Wyk[12] p.87以及Bentley[15] p.81

A xA/d:p}dsu0

x/2(或2的任意次幂)X>>2(或2的任意次幂)使用更快的硬件指令

[6ha2d+~u0

 

N PiC JS#j0

3)    特殊情况51Testing软件测试网-ZQm M$?{!h;?g

■字串的开销:字串连接运算符+看似简单,但实际需要消耗大量系统资源。编译器可高效地连接字串,但变量字串却要求可观的处理器时间。例如,假设st是字串变量:51Testing软件测试网@:N9w6j)tP5j9F W

System.out.println("heading" + s + "trailer" + t);

[/fC9x:Wiw0

上述语句要求新建一个StringBuffer(字串缓冲),追加自变量,然后用toString()将结果转换回一个字串。因此,无论磁盘空间还是处理器时间,都会受到严重消耗。若准备追加多个字串,则可考虑直接使用一个字串缓冲--特别是能在一个循环里重复利用它的时候。通过在每次循环里禁止新建一个字串缓冲,可节省980单位的对象创建时间(如前所述)。利用substring()以及其他字串方法,可进一步地改善性能。如果可行,字符数组的速度甚至能够更快。也要注意由于同步的关系,所以StringTokenizer会造成较大的开销。51Testing软件测试网gx&{AJ1bEz

■同步:在JDK解释器中,调用同步方法通常会比调用不同步方法慢10倍。经JIT编译器处理后,这一性能上的差距提升到50100倍(注意前表总结的时间显示出要慢97倍)。所以要尽可能避免使用同步方法--若不能避免,方法的同步也要比代码块的同步稍快一些。51Testing软件测试网H3z2Apu)t$u%X

■重复利用对象:要花很长的时间来新建一个对象(根据前表总结的时间,对象的新建时间是赋值时间的980倍,而新建一个小数组的时间是赋值时间的3100倍)。因此,最明智的做法是保存和更新老对象的字段,而不是创建一个新对象。例如,不要在自己的paint()方法中新建一个Font对象。相反,应将其声明成实例对象,再初始化一次。在这以后,可在paint()里需要的时候随时进行更新。参见Bentley编著的《编程拾贝》,p.81[15]

-E {7O1A ][;s0

■异常:只有在不正常的情况下,才应放弃异常处理模块。什么才叫"不正常"呢?这通常是指程序遇到了问题,而这一般是不愿见到的,所以性能不再成为优先考虑的目标。进行优化时,将小的"try-catch"块合并到一起。由于这些块将代码分割成小的、各自独立的片断,所以会妨碍编译器进行优化。另一方面,若过份热衷于删除异常处理模块,也可能造成代码健壮程度的下降。

}&e'xM'Qd-rE0

散列处理:首先,Java 1.01.1的标准"散列表"Hashtable)类需要造型以及特别消耗系统资源的同步处理(570单位的赋值时间)。其次,早期的JDK库不能自动决定最佳的表格尺寸。最后,散列函数应针对实际使用项(Key)的特征设计。考虑到所有这些原因,我们可特别设计一个散列类,令其与特定的应用程序配合,从而改善常规散列表的性能。注意Java 1.2集合库的散列映射(HashMap)具有更大的灵活性,而且不会自动同步。

Y0WgF-C'l0

方法内嵌:只有在方法属于final(最终)、private(专用)或static(静态)的情况下,Java编译器才能内嵌这个方法。而且某些情况下,还要求它绝对不可以有局部变量。若代码花大量时间调用一个不含上述任何属性的方法,那么请考虑为其编写一个"final"版本。51Testing软件测试网Imxl(n'@

I/O:应尽可能使用缓冲。否则,最终也许就是一次仅输入/输出一个字节的恶果。注意JDK 1.0I/O类采用了大量同步措施,所以若使用象readFully()这样的一个"大批量"调用,然后由自己解释数据,就可获得更佳的性能。也要注意Java 1.1"reader""writer"类已针对性能进行了优化。51Testing软件测试网J)Bw$IM:zt%P1l\

造型和实例:造型会耗去2200个单位的赋值时间。开销更大的甚至要求上溯继承(遗传)结构。其他高代价的操作会损失和恢复更低层结构的能力。51Testing软件测试网]o'x)U2? Whw

图形:利用剪切技术,减少在repaint()中的工作量;倍增缓冲区,提高接收速度;同时利用图形压缩技术,缩短下载时间。来自JavaWorld"Java Applets"以及来自Sun"Performing Animation"是两个很好的教程。请记着使用最贴切的命令。例如,为根据一系列点画一个多边形,和drawLine()相比,drawPolygon()的速度要快得多。如必须画一条单像素粗细的直线,drawLine(x,y,x,y)的速度比fillRect(x,y,1,1)快。51Testing软件测试网&i@;Zy1?T^4Y

使用API类:尽量使用来自Java API的类,因为它们本身已针对机器的性能进行了优化。这是用Java难于达到的。比如在复制任意长度的一个数组时,arraryCopy()比使用循环的速度快得多。51Testing软件测试网&m a&A Ei:l)Jg

替换API类:有些时候,API类提供了比我们希望更多的功能,相应的执行时间也会增加。因此,可定做特别的版本,让它做更少的事情,但可更快地运行。例如,假定一个应用程序需要一个容器来保存大量数组。为加快执行速度,可将原来的Vector(矢量)替换成更快的动态对象数组。51Testing软件测试网0y4zGY;{dd G

 51Testing软件测试网 f+Gwmw#U

1.其他建议

j N-QNZC2q0

将重复的常数计算移至关键循环之外--比如计算固定长度缓冲区的buffer.length51Testing软件测试网{ R1d6o#Y-@5Og

static final(静态最终)常数有助于编译器优化程序。51Testing软件测试网!Z R$p5yZ%I

实现固定长度的循环。

)rbH.u#A{e8@0

使用javac的优化选项:-O。它通过内嵌staticfinal以及private方法,从而优化编译过的代码。注意类的长度可能会增加(只对JDK 1.1而言--更早的版本也许不能执行字节查证)。新型的"Just-in-time"JIT)编译器会动态加速代码。51Testing软件测试网k M:g+[ EW4i

尽可能地将计数减至0--这使用了一个特殊的JVM字节码。51Testing软件测试网:L-tK$Cwp0G'O)o:K [

 51Testing软件测试网,Dj:Hzo4~

4      参考资源51Testing软件测试网Q6v/sT5i

 51Testing软件测试网AU*[1m+_~MvF j8p

1)    性能工具

'R V&kQ*G%m\!f_0

[1]运行于Pentium Pro 200Netscape 3.0JDK 1.1.4MicroBenchmark(参见下面的参考资源)

`-K%}&?7Mm;eqm0

[2] SunJava文档页--JDK Java解释器主题:

mX}CI(`0

http://java.sun.com/products/JDK/tools/win32/java.html

f9_*WU$l)K0

[3] Vladimir BulatovHyperProf51Testing软件测试网7y$n+ec C_^

http://www.physics.orst.edu/~bulatov/HyperProf51Testing软件测试网r] I)Vfr~^

[4] Greg WhiteProfileViewer51Testing软件测试网{!L\Sjo c'dB

http://www.inetmi.com/~gwhi/ProfileViewer/ProfileViewer.html

9[@ ZNAG| }-SN0

 51Testing软件测试网0]*aG;? \gGB

2)    Web站点51Testing软件测试网0q:O(R]u`j/}

[5]对于Java代码的优化主题,最出色的在线参考资源是Jonathan Hardwick"Java Optimization"网站:

s#I$X[*_0B D0

http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/optimization.html51Testing软件测试网f)sE6sjK k

"Java优化工具"主页:

fW&?U*bIZ0

http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/tools.html51Testing软件测试网S)h s }O

以及"Java Microbenchmarks"(有一个45秒钟的评测过程):51Testing软件测试网^,b^#e4k

http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/benchmarks.html51Testing软件测试网zj3v)\0p V+p}

 

oyj~'J)x$B C7aW0

3)    文章

z.z7k&A7cG w|%I$d u0

[6] "Make Java fast:Optimize! How to get the greatest performanceout of your code through low-level optimizations in Java"(让Java更快:优化!如何通过在Java中的低级优化,使代码发挥最出色的性能)。作者:Doug Bell。网址:

z}I|OD1dy}!cEY0

http://www.javaworld.com/javaworld/jw-04-1997/jw-04-optimize.html

&m,J Z+M'fi(R\0

(含一个全面的性能评测程序片,有详尽注释)

!`@%nZ#VSdI0

[7] "Java Optimization Resources"Java优化资源)51Testing软件测试网w_ |xY5R4zw

http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/resources.html51Testing软件测试网0C+M8v%pEZ

[8] "Optimizing Java for Speed"(优化Java,提高速度):

3MA4aj ~s(r0

http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/speed.html

RAL7x4WuWh JA0

[9] "An Empirical Study of FORTRAN Programs"FORTRAN程序实战解析)。作者:Donald Knuth1971年出版。第1卷,p.105-33"软件--实践和练习"

e^D3x"Av0

[10] "Building High-Performance Applications and Servers in Java:An Experiential Study"。作者:Jimmy NguyenMichael FraenkelRichardRedpathBinh Q. Nguyen以及Sandeep K. SinghalIBM T.J. Watson ResearchCenter,IBM Software Solutions

l@ F[h_H0

http://www.ibm.com/java/education/javahipr.html51Testing软件测试网\p e/Ews

 51Testing软件测试网\oap(~#E B \9j

4)    Java专业书籍

w"`MNB Aym0

[11]Advanced JavaIdiomsPitfallsStyles, and Programming Tips》。作者:Chris LaffraPrentice Hall 1997年出版(Java 1.0)。第11章第20小节。

}OS\$U'C4H6C*n5i0

 51Testing软件测试网E-E6vV,h:E.@

5)    一般书籍51Testing软件测试网1X|"pD9k

[12]Data Structures and C Programs》(数据结构和C程序)。作者:J.Van WykAddison-Wesly 1998年出版。

F4X;gW2]ewBX0

[13]Writing Efficient Programs》(编写有效的程序)。作者:Jon BentleyPrentice Hall 1982年出版。特别参考p.110p.145-151

a*Wo?6Q#l/`{p0

[14]More Programming Pearls》(编程拾贝第二版)。作者:JonBentley"Association for Computing Machinery"19982月。

.[2{1B MZ6Nf1}of0

[15]Programming Pearls》(编程拾贝)。作者:Jone BentleyAddison-Wesley 1989年出版。第2部分强调了常规的性能改善问题。[16]Code Complete:A Practical Handbook of Software Construction》(完整代码索引:实用软件开发手册)。作者:Steve McConnellMicrosoft出版社1993年出版,第9章。

/]X(a u],l,IJ`6M0

[17]Object-Oriented System Development》(面向对象系统的开发)。作者:ChampeauxLeaFaure。第25章。51Testing软件测试网1[ceQ{#sDM2ox

[18]The Art of Programming》(编程艺术)。作者:Donald Knuth。第1"基本算法第3";第3"排序和搜索第2"Addison-Wesley出版。这是有关程序算法的一本百科全书。51Testing软件测试网%m%^MuZ&{

[19]Algorithms in C:Fundammentals,Data Structures, Sorting,Searching》(C算法:基础、数据结构、排序、搜索)第3版。作者:RobertSedgewickAddison-Wesley 1997年出版。作者是Knuth的学生。这是专门讨论几种语言的七个版本之一。对算法进行了深入浅出的解释。51Testing软件测试网~1c+j$TnE#U

 51Testing软件测试网2P%o ioNOd

源文档 <http://www.51testing.com/html/8/465.html>51Testing软件测试网B*AB2Iqxt


TAG: 性能测试

 

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