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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。

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"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]51Testing软件测试网/ym:w v3AN

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"

P$N+e3T*b,xT*{;_0

 

/M6~z4Ut3{0

1      基本方法

$\4v&\8jS:n0

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:51Testing软件测试网,c%Q"c+{h.?0|$ha.[

(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。

'`a0R9P4Tv$f0

(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。

j7a5Ne;l(l1]%WakG.D0

(3)  运用本附录介绍的提速技术,然后返回步骤151Testing软件测试网XJkLI-]7Q

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。

8v|:VlEi"gP4|0

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。

-[oJ4Lr"vnG5GQ0

2      寻找瓶颈51Testing软件测试网5n!@9J^-D2bC

为找出最影响程序性能的瓶颈,可采取下述几种方法:

+Sj!ep+@.q ^#[@Q0

 

)m"a/r9JV9~_0

1)    安插自己的测试代码

W4Z!O)S PQ0L A`d0

插入下述"显式"计时代码,对程序进行评测:51Testing软件测试网)xc6V K Bk

long start = System.currentTimeMillis();

`H:v1w;ufYF0

//要计时的运算代码放在这儿51Testing软件测试网_O0bxh#j0Ch

long time = System.currentTimeMillis() - start;51Testing软件测试网9WnUvH j&|j

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。

5S3fHd e5z4Y.z0

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;bU_1P%J~ vh.k^

 51Testing软件测试网VX w6I3Sl

2)    JDK性能评测[2]51Testing软件测试网0B-`8Kij!j

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。

{5z Z kf A0

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:51Testing软件测试网0Q;tp4l|-PN ~?h

java_g -prof myClass

@{\&H!a.EYX0

或加上一个程序片(Applet):51Testing软件测试网Bop8f o5M u

java_g -prof sun.applet.AppletViewer applet.html

}~AC*|YXB0

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。

%r'JHe y6x+r&t0

 

\M?3J'iAV0

3)    特殊工具51Testing软件测试网%o^"h;c:x,q b.Y6`

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:

BY|7O Q dfR0

http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/tools.html51Testing软件测试网.c)o(rW1fb

 

"|:_V1m;P%kuo0

4)    性能评测的技巧51Testing软件测试网-zu+I3C6^$r@-hq

■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。

G^7l_r2zBYX@0

■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。

RZF[7z0

■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"X:ry4{)z _

■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。

+P*O)u6mYg0

 51Testing软件测试网\&UeoM|8kh

3      提速方法51Testing软件测试网d2^vP!]7D

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。

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 51Testing软件测试网_%mQc$yae3}/]W

1)    常规手段

!wt5lY]%k6I3a t0

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。

a*[i RQ/hr)b0

 51Testing软件测试网9JmAPd

2)    依赖语言的方法51Testing软件测试网-k } q5k Yn

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"51Testing软件测试网MTi!q#T[T

 

D,h`y%V5Q-L~a0

运算示例标准时间51Testing软件测试网m'M]ow0dON

 

%y B6F oo/SeL0

本地赋值i=n; 1.0

9p*q&~#LgfV2w0

实例赋值this.i=n; 1.2

A,Jhw y L&v0

int增值i++; 1.5

/C%SyR-{-rG R3G0

byte增值b++; 2.051Testing软件测试网!] JGxv

short增值s++; 2.051Testing软件测试网HW@-WY'?!Iq

float增值f++; 2.0

:f5y w`:Rb0

double增值d++; 2.0

;`t`.vw9U ["V0

空循环while(true) n++; 2.051Testing软件测试网D"^1^6tum5xg

三元表达式(x<0) ?-x : x 2.2

0}ZQ {4h9Z{a0

算术调用Math.abs(x); 2.5

7[|H.DW F,Fe0

数组赋值a[0] = n; 2.7

S:k1^#q:~zi0

long增值l++; 3.551Testing软件测试网*S3qVN7YG5S

方法调用funct(); 5.951Testing软件测试网'VrN4I"Y-Z'z o|v

throwcatch异常try{ throw e; }catch(e){} 32051Testing软件测试网!Wk.Fq d`*P

同步方法调用synchMehod(); 57051Testing软件测试网Y&dGB(T,A T1x

新建对象new Object(); 980

h;ft6P c7R0

新建数组new int[10]; 310051Testing软件测试网~8N n-y3PH/at

 51Testing软件测试网dEJ;T*_)F^;I

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B5jy Z_$LZ`B

 51Testing软件测试网To[N.a5w1h)M

1.常规修改

1Z;b T3rU#`v.F0

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)。

v(o"Jy ~E*{0

 51Testing软件测试网I)qH(W~;Y0wkl

...修改成...理由51Testing软件测试网&f6wq%Xs w^ l T

 51Testing软件测试网Fx3tp5t/Tx9JS5tu

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51Testing软件测试网 g8tg|^Q GL0e8^9V

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2.751Testing软件测试网Yt4t/X w

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

i\lT+`-x1p3q2B0

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51Testing软件测试网Ly!x\7xx2Y

 

3]&`lr3x}.v0

3)    特殊情况

7so)y-^|M&pChS0

■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@t Qp` G

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

[?%s$`'Bn3OL*]0

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。

}9s'c#z$j0

■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~yapa`}R

■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]51Testing软件测试网6__,N#a9t;H

■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。51Testing软件测试网5S ?;Nx(k/T;fh u

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。51Testing软件测试网d[3NkUJ?g

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。

%j N&V]Pr/o0

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6b'N;po p$C

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。

My#dJ4o0

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。

-l?8Ps$b5T3RK~0

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。

Lv+mt's#F0

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。

a6aay7x)V ^0

 

0})qS%tdDe0

1.其他建议51Testing软件测试网0Af?,tuK

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 n@8v!~r"J{

static final(静态最终)常数有助于编译器优化程序。

(CH y@lPCc0

实现固定长度的循环。

%J LAj6b2R jz8]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 ^Z0pB5il

尽可能地将计数减至0--这使用了一个特殊的JVM字节码。

(z Wp"N,k@#N0

 

,fKj@ ~L*Q0

4      参考资源51Testing软件测试网1Q8gl,?x.C5J8p

 51Testing软件测试网7t r~_:Db _)r

1)    性能工具51Testing软件测试网5p a:A.aOiWT

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

V_p3YEQbP+rO0

[2] SunJava文档页--JDK Java解释器主题:51Testing软件测试网)YGM'f e,e&M6[K

http://java.sun.com/products/JDK/tools/win32/java.html51Testing软件测试网)v4v-E/zt&p.yV__1}

[3] Vladimir BulatovHyperProf51Testing软件测试网M&L{4fC%L| l+t

http://www.physics.orst.edu/~bulatov/HyperProf

.}U0ir)]j6oS0

[4] Greg WhiteProfileViewer51Testing软件测试网0v{-~ bB+`j

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

_yQ D ^ vs s0

 51Testing软件测试网gU_fm"e3lU

2)    Web站点

d/X*t$F,lMA^V0

[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:51Testing软件测试网9L'x/KT vI+Y8Z#u

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

J N!V4F FP0

"Java优化工具"主页:51Testing软件测试网CZz$Ykj#E

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

2L]bAl*Y0

以及"Java Microbenchmarks"(有一个45秒钟的评测过程):

{ G*_3H-xH1B+r/L-@ I'I0

http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/benchmarks.html51Testing软件测试网7N*fz'f3IJ$V(K-U

 51Testing软件测试网2?0|w1v ]/hy

3)    文章

)`%ZLe [X0

[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:51Testing软件测试网ifL#e;mt[X

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

9u iL*E.TyB$g0

(含一个全面的性能评测程序片,有详尽注释)51Testing软件测试网z eFUt9x

[7] "Java Optimization Resources"Java优化资源)

~1TD2_3]0

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

:U*S3A{ h3Y&C+jT~0

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

}?5a g6E \O-|5z!c0

http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/speed.html51Testing软件测试网3i%s2KH#t6`k'r

[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"51Testing软件测试网H;qD(_!tl

[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 Solutions51Testing软件测试网|BL-?2Xv\

http://www.ibm.com/java/education/javahipr.html51Testing软件测试网"X9d"FkE'S;L

 51Testing软件测试网7y9A3m6i2^_)ySQ

4)    Java专业书籍

4]!z.Z+?S3Ng(u#HKX0

[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。51Testing软件测试网4H&mBJ]`;W0u(ZLi@

 

F&T\H5~:P0

5)    一般书籍51Testing软件测试网&]]9k(|R?E

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

:T,^0l_ k+xP0

[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

hyG)U(M1Mn0

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

2D5fw/X%MI`*x6H0

[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。51Testing软件测试网+J O)HD^%G"eC

[17]Object-Oriented System Development》(面向对象系统的开发)。作者:ChampeauxLeaFaure。第25章。

!Ks7jw[$wO0

[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。

$o'w6];a7qm0

[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。

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源文档 <http://www.51testing.com/html/8/465.html>51Testing软件测试网ZcAd+t0o r#U


TAG: 性能测试

 

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