“本附錄由Joe Sharp投稿，并獲得他的同意在這兒轉(zhuǎn)載。請聯(lián)系SharpJoe@aol.com”
Java語言特別強調(diào)準(zhǔn)確性，但可靠的行為要以性能作為代價。這一特點反映在自動收集垃圾、嚴(yán)格的運行期檢查、完整的字節(jié)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來說，由于目前有大量平臺可供挑選，所以進(jìn)一步阻礙了性能的發(fā)揮。
“先做完它，再逐步完善。幸好需要改進(jìn)的地方通常不會太多?！保⊿teve McConnell的《About performance》[16]）
本附錄的宗旨就是指導(dǎo)大家尋找和優(yōu)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序后，再可著手解決性能方面的問題：
(1) 在現(xiàn)實環(huán)境中檢測程序的性能。若符合要求，則目標(biāo)達(dá)到。若不符合，則轉(zhuǎn)到下一步。
(2) 尋找最致命的性能瓶頸。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，并試圖進(jìn)行優(yōu)化，那么可能是白花時間。
(3) 運用本附錄介紹的提速技術(shù)，然后返回步驟1。
為使努力不至白費，瓶頸的定位是至關(guān)重要的一環(huán)。Donald Knuth[9]曾改進(jìn)過一個程序，那個程序把50％的時間都花在約4％的代碼量上。在僅一個工作小時里，他修改了幾行代碼，使程序的執(zhí)行速度倍增。此時，若將時間繼續(xù)投入到剩余代碼的修改上，那么只會得不償失。Knuth在編程界有一句名言：“過早的優(yōu)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優(yōu)化的沖動，因為那樣做可能遺漏多種有用的編程技術(shù)，造成代碼更難理解和操控，并需更大的精力進(jìn)行維護(hù)。
D.2 尋找瓶頸
為找出最影響程序性能的瓶頸，可采取下述幾種方法：
D.2.1 安插自己的測試代碼
插入下述“顯式”計時代碼，對程序進(jìn)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打印到控制臺窗口。由于一旦出錯，編譯器會將其忽略，所以可用一個“靜態(tài)最終布爾值”（Static final boolean）打開或關(guān)閉計時，使代碼能放心留在最終發(fā)行的程序里，這樣任何時候都可以拿來應(yīng)急。盡管還可以選用更復(fù)雜的評測手段，但若僅僅為了量度一個特定任務(wù)的執(zhí)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(tǒng)的時間精度低于1毫秒（如Windows PC），所以需要重復(fù)n次，再將總時間除以n，獲得準(zhǔn)確的時間。
D.2.2 JDK性能評測[2]
JDK配套提供了一個內(nèi)建的評測程序，能跟蹤花在每個例程上的時間，并將評測結(jié)果寫入一個文件。不幸的是，JDK評測器并不穩(wěn)定。它在JDK 1.1.1中能正常工作，但在后續(xù)版本中卻非常不穩(wěn)定。
為運行評測程序，請在調(diào)用Java解釋器的未優(yōu)化版本時加上-prof選項。例如：
java_g -prof myClass
或加上一個程序片（Applet）：
java_g -prof sun.applet.AppletViewer applet.html
理解評測程序的輸出信息并不容易。事實上，在JDK 1.0中，它居然將方法名稱截短為30字符。所以可能無法區(qū)分出某些方法。然而，若您用的平臺確實能支持-prof選項，那么可試試Vladimir Bulatov的“HyperPorf”[3]或者Greg White的“ProfileViewer”來解釋一下結(jié)果。
D.2.3 特殊工具
如果想隨時跟上性能優(yōu)化工具的潮流，最好的方法就是作一些Web站點的常客。比如由Jonathan Hardwick制作的“Tools for Optimizing Java”（Java優(yōu)化工具）網(wǎng)站：
http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/tools.html
D.2.4 性能評測的技巧
■由于評測時要用到系統(tǒng)時鐘，所以當(dāng)時不要運行其他任何進(jìn)程或應(yīng)用程序，以免影響測試結(jié)果。
■如對自己的程序進(jìn)行了修改，并試圖（至少在開發(fā)平臺上）改善它的性能，那么在修改前后應(yīng)分別測試一下代碼的執(zhí)行時間。
■盡量在完全一致的環(huán)境中進(jìn)行每一次時間測試。
■如果可能，應(yīng)設(shè)計一個不依賴任何用戶輸入的測試，避免用戶的不同反應(yīng)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)誤差。
D.3 提速方法
現(xiàn)在，關(guān)鍵的性能瓶頸應(yīng)已隔離出來。接下來，可對其應(yīng)用兩種類型的優(yōu)化：常規(guī)手段以及依賴Java語言。
D.3.1 常規(guī)手段
通常，一個有效的提速方法是用更現(xiàn)實的方式重新定義程序。例如，在《Programming Pearls》（編程拾貝）一書中[14]，Bentley利用了一段小說數(shù)據(jù)描寫，它可以生成速度非?？?、而且非常精簡的拼寫檢查器，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，更好的算法也許能帶來更大的性能提升??特別是在數(shù)據(jù)集的尺寸越來越大的時候。欲了解這些常規(guī)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(jìn)行客觀的分析，最好明確掌握各種運算的執(zhí)行時間。這樣一來，得到的結(jié)果可獨立于當(dāng)前使用的計算機??通過除以花在本地賦值上的時間，最后得到的就是“標(biāo)準(zhǔn)時間”。
運算 示例 標(biāo)準(zhǔn)時間
本地賦值 i=n; 1.0
實例賦值 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
空循環(huán) while(true) n++; 2.0
三元表達(dá)式 (x<0) ?-x : x 2.2
算術(shù)調(diào)用 Math.abs(x); 2.5
數(shù)組賦值 a[0] = n; 2.7
long增值 l++; 3.5
方法調(diào)用 funct(); 5.9
throw或catch異常 try{ throw e; }或catch(e){} 320
同步方法調(diào)用 synchMehod(); 570
新建對象 new Object(); 980
新建數(shù)組 new int[10]; 3100
通過自己的系統(tǒng)（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：新建對象和數(shù)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(diào)用會造成適度的開銷。參考資源[5]和[6]為大家總結(jié)了測量用程序片的Web地址，可到自己的機器上運行它們。
1. 常規(guī)修改
下面是加快Java程序關(guān)鍵部分執(zhí)行速度的一些常規(guī)操作建議（注意對比修改前后的測試結(jié)果）。
將... 修改成... 理由
接口 抽象類（只需一個父時） 接口的多個繼承會妨礙性能的優(yōu)化
非本地或數(shù)組循環(huán)變量 本地循環(huán)變量 根據(jù)前表的耗時比較，一次實例整數(shù)賦值的時間是本地整數(shù)賦值時間的1.2倍，但數(shù)組賦值的時間是本地整數(shù)賦值的2.7倍
鏈接列表（固定尺寸） 保存丟棄的鏈接項目，或?qū)⒘斜硖鎿Q成一個循環(huán)數(shù)組（大致知道尺寸） 每新建一個對象，都相當(dāng)于本地賦值980次。參考“重復(fù)利用對象”（下一節(jié)）、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） 使用更快的硬件指令
D.3.3 特殊情況
■字串的開銷：字串連接運算符+看似簡單，但實際需要消耗大量系統(tǒng)資源。編譯器可高效地連接字串，但變量字串卻要求可觀的處理器時間。例如，假設(shè)s和t是字串變量：
System.out.println("heading" + s + "trailer" + t);
上述語句要求新建一個StringBuffer（字串緩沖），追加自變量，然后用toString()將結(jié)果轉(zhuǎn)換回一個字串。因此，無論磁盤空間還是處理器時間，都會受到嚴(yán)重消耗。若準(zhǔn)備追加多個字串，則可考慮直接使用一個字串緩沖??特別是能在一個循環(huán)里重復(fù)利用它的時候。通過在每次循環(huán)里禁止新建一個字串緩沖，可節(jié)省980單位的對象創(chuàng)建時間（如前所述）。利用substring()以及其他字串方法，可進(jìn)一步地改善性能。如果可行，字符數(shù)組的速度甚至能夠更快。也要注意由于同步的關(guān)系，所以StringTokenizer會造成較大的開銷。
■同步：在JDK解釋器中，調(diào)用同步方法通常會比調(diào)用不同步方法慢10倍。經(jīng)JIT編譯器處理后，這一性能上的差距提升到50到100倍（注意前表總結(jié)的時間顯示出要慢97倍）。所以要盡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。
■重復(fù)利用對象：要花很長的時間來新建一個對象（根據(jù)前表總結(jié)的時間，對象的新建時間是賦值時間的980倍，而新建一個小數(shù)組的時間是賦值時間的3100 倍）。因此，最明智的做法是保存和更新老對象的字段，而不是創(chuàng)建一個新對象。例如，不要在自己的paint()方法中新建一個Font對象。相反，應(yīng)將其聲明成實例對象，再初始化一次。在這以后，可在paint()里需要的時候隨時進(jìn)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(yīng)放棄異常處理模塊。什么才叫“不正?！蹦?？這通常是指程序遇到了問題，而這一般是不愿見到的，所以性能不再成為優(yōu)先考慮的目標(biāo)。進(jìn)行優(yōu)化時，將小的“try-catch”塊合并到一起。由于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(jìn)行優(yōu)化。另一方面，若過份熱衷于刪除異常處理模塊，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(biāo)準(zhǔn)“散列表”（Hashtable）類需要造型以及特別消耗系統(tǒng)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。最后，散列函數(shù)應(yīng)針對實際使用項（Key）的特征設(shè)計。考慮到所有這些原因，我們可特別設(shè)計一個散列類，令其與特定的應(yīng)用程序配合，從而改善常規(guī)散列表的性能。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(nèi)嵌：只有在方法屬于final（最終）、private（專用）或static（靜態(tài)）的情況下，Java編譯器才能內(nèi)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量。若代碼花大量時間調(diào)用一個不含上述任何屬性的方法，那么請考慮為其編寫一個“final”版本。
■I/O：應(yīng)盡可能使用緩沖。否則，最終也許就是一次僅輸入／輸出一個字節(jié)的惡果。注意JDK 1.0的I/O類采用了大量同步措施，所以若使用象readFully()這樣的一個“大批量”調(diào)用，然后由自己解釋數(shù)據(jù)，就可獲得更佳的性能。也要注意Java 1.1的“reader”和“writer”類已針對性能進(jìn)行了優(yōu)化。
■造型和實例：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(jié)構(gòu)。其他高代價的操作會損失和恢復(fù)更低層結(jié)構(gòu)的能力。
■圖形：利用剪切技術(shù)，減少在repaint()中的工作量；倍增緩沖區(qū)，提高接收速度；同時利用圖形壓縮技術(shù)，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(jù)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(xì)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性能進(jìn)行了優(yōu)化。這是用Java難于達(dá)到的。比如在復(fù)制任意長度的一個數(shù)組時，arraryCopy()比使用循環(huán)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(yīng)的執(zhí)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(yīng)用程序需要一個容器來保存大量數(shù)組。為加快執(zhí)行速度，可將原來的Vector（矢量）替換成更快的動態(tài)對象數(shù)組。
1. 其他建議
■將重復(fù)的常數(shù)計算移至關(guān)鍵循環(huán)之外??比如計算固定長度緩沖區(qū)的buffer.length。
■static final（靜態(tài)最終）常數(shù)有助于編譯器優(yōu)化程序。
■實現(xiàn)固定長度的循環(huán)。
■使用javac的優(yōu)化選項：-O。它通過內(nèi)嵌static，final以及private方法，從而優(yōu)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(zhí)行字節(jié)查證）。新型的“Just-in-time”（JIT）編譯器會動態(tài)加速代碼。
■盡可能地將計數(shù)減至0??這使用了一個特殊的JVM字節(jié)碼。
D.4 參考資源
D.4.1 性能工具
[1] 運行于Pentium Pro 200，Netscape 3.0，JDK 1.1.4的MicroBenchmark（參見下面的參考資源[5]）
[2] Sun的Java文檔頁??JDK Java解釋器主題：
http://java.sun.com/products/JDK/tools/win32/java.html
[3] Vladimir Bulatov的HyperProf
http://www.physics.orst.edu/~bulatov/HyperProf
[4] Greg White的ProfileViewer
http://www.inetmi.com/~gwhi/ProfileViewer/ProfileViewer.html
D.4.2 Web站點
[5] 對于Java代碼的優(yōu)化主題，最出色的在線參考資源是Jonathan Hardwick的“Java Optimization”網(wǎng)站：
http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/optimization.html
“Java優(yōu)化工具”主頁：
http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/tools.html
以及“Java Microbenchmarks”（有一個45秒鐘的評測過程）：
http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/benchmarks.html
D.4.3 文章
[6] “Make Java fast:Optimize! How to get the greatest performanceout of your code through low-level optimizations in Java”（讓Java更快：優(yōu)化！如何通過在Java中的低級優(yōu)化，使代碼發(fā)揮最出色的性能）。作者：Doug Bell。網(wǎng)址：
http://www.javaworld.com/javaworld/jw-04-1997/jw-04-optimize.html
（含一個全面的性能評測程序片，有詳盡注釋）
[7] “Java Optimization Resources”（Java優(yōu)化資源）
http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/resources.html
[8] “Optimizing Java for Speed”（優(yōu)化Java，提高速度）：
http://www.cs.cmu.edu/~jch/java/speed.html
[9] “An Empirical Study of FORTRAN Programs”（FORTRAN程序?qū)崙?zhàn)解析）。作者：Donald Knuth。1971年出版。第1卷，p.105-33，“軟件??實踐和練習(xí)”。
[10] “Building High-Performance Applications and Servers in Java:An Experiential Study”。作者:Jimmy Nguyen，Michael Fraenkel，RichardRedpath，Binh Q. Nguyen以及Sandeep K. Singhal。IBM T.J. Watson ResearchCenter,IBM Software Solutions。
http://www.ibm.com/java/education/javahipr.html
D.4.4 Java專業(yè)書籍
[11] 《Advanced Java，Idioms，Pitfalls，Styles, and Programming Tips》。作者：Chris Laffra。Prentice Hall 1997年出版（Java 1.0）。第11章第20小節(jié)。
D.4.5 一般書籍
[12] 《Data Structures and C Programs》（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和C程序）。作者：J.Van Wyk。Addison-Wesly 1998年出版。
[13] 《Writing Efficient Programs》（編寫有效的程序）。作者：Jon Bentley。Prentice Hall 1982年出版。特別參考p.110和p.145-151。
[14] 《More Programming Pearls》（編程拾貝第二版）。作者：JonBentley?！癆ssociation for Computing Machinery”，1998年2月。
[15] 《Programming Pearls》（編程拾貝）。作者：Jone Bentley。Addison-Wesley 1989年出版。第2部分強調(diào)了常規(guī)的性能改善問題。 [16] 《Code Complete:A Practical Handbook of Software Construction》（完整代碼索引：實用軟件開發(fā)手冊）。作者：Steve McConnell。Microsoft出版社1993年出版，第9章。
[17] 《Object-Oriented System Development》（面向?qū)ο笙到y(tǒng)的開發(fā)）。作者：Champeaux，Lea和Faure。第25章。
[18] 《The Art of Programming》（編程藝術(shù)）。作者：Donald Knuth。第1卷“基本算法第3版”；第3卷“排序和搜索第2版”。Addison-Wesley出版。這是有關(guān)程序算法的一本百科全書。
[19] 《Algorithms in C:Fundammentals,Data Structures, Sorting,Searching》（C算法：基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、排序、搜索）第3版。作者：RobertSedgewick。Addison-Wesley 1997年出版。作者是Knuth的學(xué)生。這是專門討論幾種語言的七個版本之一。對算法進(jìn)行了深入淺出的解釋。
