Java性能的優(yōu)化（上）
黃偉峰
01-7-9 上午 10:29:55
Java在九十年代中期出現以后，在贏(yíng)得贊嘆的同時(shí)，也引來(lái)了一些批評。贏(yíng)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的性能和運行效率同C相比，仍然有很大的差距，從而引來(lái)了很多的批評。
對于服務(wù)器端的應用程序，由于不大涉及到界面設計和程序的頻繁重啟，Java的性能問(wèn)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用，但實(shí)際上，Java的性能問(wèn)題在服務(wù)器端依然存在。下面我將分四個(gè)方面來(lái)討論Java的性能和執行效率以及提高Java性能的一些方法。
一．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(gè)方面作為評判性能的標準。
1） 運算的性能----哪一個(gè)算法的執行性能最好
2） 內存的分配----程序需要分配多少內存，運行時(shí)的效率和性能最高。
3） 啟動(dòng)的時(shí)間----程序啟動(dòng)需要多少時(shí)間。
4） 程序的可伸縮性-----程序在用戶(hù)負載過(guò)重的情況下的表現。
5） 性能的認識------用戶(hù)怎樣才能認識到程序的性能。
對于不同的應用程序，對性能的要求也不同。例如，大部分的應用程序在啟動(dòng)時(shí)需要較長(cháng)的時(shí)間，從而對啟動(dòng)時(shí)間的要求有所降低；服務(wù)器端的應用程序通常都分配有較大的內存空間，所以對內存的要求也有所降低。但是，這并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)邏輯運用到事務(wù)性操作的應用程序來(lái)講非常重要?？偟膩?lái)講，對應用程序的要求將決定對各個(gè)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(gè)主要方面：
（1） 程序設計的方法和模式
一個(gè)良好的設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(yǔ)言。因為它充分利用了各種資源，如內存，CPU,高速緩存，對象緩沖池及多線(xiàn)程，從而設計出高性能和可伸縮性強的系統。
當然，為了提高程序的性能而改變原來(lái)的設計是比較困難的，但是，程序性能的重要性常常要高于設計上帶來(lái)的變化。因此，在編程開(kāi)始之前就應該有一個(gè)好的設計模型和方法。
（2） JAVA布署的環(huán)境。
JAVA布署的環(huán)境就是指用來(lái)解釋和執行JAVA字節碼的技術(shù)，一般有如下五種。即解釋指令技術(shù)(Interpreter Technology)，及時(shí)編譯的技術(shù)(Just In Time Compilier Technology), 適應性?xún)?yōu)化技術(shù)（Adaptive Optimization Technology）, 動(dòng)態(tài)優(yōu)化，提前編譯為機器碼的技術(shù)（Dynamic Optimization,Ahead Of Time Technology）和編譯為機器碼的技術(shù)（Translator Technology）.
這些技術(shù)一般都通過(guò)優(yōu)化線(xiàn)程模型，調整堆和棧的大小來(lái)優(yōu)化JAVA的性能。在考慮提高JAVA的性能時(shí)，首先要找到影響JAVA性能的瓶頸（BottleNecks），在確認了設計的合理性后，應該調整JAVA布署的環(huán)境，通過(guò)改變一些參數來(lái)提高JAVA應用程序的性能。具體內容見(jiàn)第二節。
（3） JAVA應用程序的實(shí)現
當討論應用程序的性能問(wèn)題時(shí)，大多數的程序員都會(huì )考慮程序的代碼，這當然是對的，當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(huì )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用程序中執行每個(gè)函數或方法所消耗掉的時(shí)間，從而改善程序的性能。
(4) 硬件和操作系統
為了提高JAVA應用程序的性能，而采用跟快的CPU和更多的內存，并認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)驗和事實(shí)證明，只有遭到了應用程序性能的瓶頸，從而采取適當得方法，如設計模式，布署的環(huán)境，操作系統的調整，才是最有效的。
3．程序中通常的性能瓶頸。
所有的應用程序都存在性能瓶頸，為了提高應用程序的性能，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。
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(gè)步驟。
a) 明確對性能的具體要求
在實(shí)施一個(gè)項目之前，必須要明確該項目對于程序性能的具體要求，如：這個(gè)應用程序要支持5000個(gè)并發(fā)的用戶(hù)，并且響應時(shí)間要在5秒鐘之內。但同時(shí)也要明白對于性能的要求不應該同對程序的其他要求沖突。
b) 了解當前程序的性能
你應該了解你的應用程序的性能同項目所要求性能之間的差距。通常的指標是單位時(shí)間內的處理數和響應時(shí)間，有時(shí)還會(huì )比較CPU和內存的利用率。
c) 找到程序的性能瓶頸
為了發(fā)現程序中的性能瓶頸，通常會(huì )使用一些分析工具，如：TowerJ Application Performance Analyzer或VTune來(lái)察看和分析程序堆棧中各個(gè)元素的消耗時(shí)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)現諸如過(guò)多的異常處理，垃圾回收等潛在的問(wèn)題。
d) 采取適當的措施來(lái)提高性能
找到了引起程序性能降低的瓶頸代碼后，我們就可以用前面介紹過(guò)的提高性能的四個(gè)方面，即設計模式，JAVA代碼的實(shí)現，布署JAVA的環(huán)境和操作系統來(lái)提高應用程序的性能。具體內容將在下面的內容中作詳細說(shuō)明。
e) 只進(jìn)行某一方面的修改來(lái)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(guān)察程序的性能是否有所提高，而不應該一次改變多個(gè)方面，因為這樣你將不知道到底哪個(gè)方面的改變提高了程序的性能，哪個(gè)方面沒(méi)有，即不能知道程序瓶頸在哪。
f) 返回到步驟c,繼續作類(lèi)似的工作，一直達到要求的性能為止。
二． JAVA布署的環(huán)境和編譯技術(shù)
開(kāi)發(fā)JAVA應用程序時(shí)，首先把JAVA的源程序編譯為與平臺無(wú)關(guān)的字節碼。這些字節碼就可以被各種基于JVM的技術(shù)所執行。這些技術(shù)主要分為兩個(gè)大類(lèi)。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：
具體可分為如下的五類(lèi)：
a) 解釋指令技術(shù)
其結構圖和執行過(guò)程如下：
JAVA的編譯器首先把JAVA源文件編譯為字節碼。這些字節碼對于JAVA虛擬機(JVM)來(lái)講就是機器的指令碼。然后，JAVA的解釋器不斷的循環(huán)取出字節碼進(jìn)行解釋并執行。
這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現JAVA語(yǔ)言的跨平臺，同時(shí)生成的字節碼也比較緊湊。JAVA的一些優(yōu)點(diǎn)，如安全性，動(dòng)態(tài)性都得保持；但缺點(diǎn)是省生成的字節碼沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(shí)編譯技術(shù)（Just In Time）
及時(shí)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，其結構圖如下所示。
其主要變化是在JAVA程序執行之前，又JIT編譯器把JAVA的字節碼編譯為機器碼。從而在程序運行時(shí)直接執行機器碼，而不用對字節碼進(jìn)行解釋。同時(shí)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JAVA程序的性能。同時(shí)，由于編譯的結果并不在程序運行間保存，因此也節約了存儲空間了加載程序的時(shí)間；缺點(diǎn)是由于JIT編譯器對所有的代碼都想優(yōu)化，因此也浪費了很多的時(shí)間。
IBM和SUN公司都提供了相關(guān)的JIT產(chǎn)品。
c) 適應性?xún)?yōu)化技術(shù)（Adaptive Optimization Technology）
同JIT技術(shù)相比，適應性?xún)?yōu)化技術(shù)并不對所有的字節碼進(jìn)行優(yōu)化。它會(huì )跟蹤程序運行的成個(gè)過(guò)程，從而發(fā)現需要優(yōu)化的代碼，對代碼進(jìn)行動(dòng)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，程序運行的時(shí)間越長(cháng)，代碼就越優(yōu)化。其結構圖如下：
其優(yōu)點(diǎn)是適應性?xún)?yōu)化技術(shù)充分利用了程序執行時(shí)的信息，發(fā)行程序的性能瓶頸，從而提高程序的性能；其缺點(diǎn)是在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)可能會(huì )選擇不當，發(fā)而降低了程序的性能。
其主要產(chǎn)品又IBM,SUN的HotSpot.
d) 動(dòng)態(tài)優(yōu)化，提前編譯為機器碼的技術(shù)（Dynamic Optimization,Ahead Of Time）
動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)充分利用了JAVA源碼編譯，字節碼編譯，動(dòng)態(tài)編譯和靜態(tài)編譯的技術(shù)。其輸入時(shí)JAVA的原碼或字節碼，而輸出是經(jīng)過(guò)高度優(yōu)化的可執行代碼和個(gè)來(lái)動(dòng)態(tài)庫的混合(Window中是DLL文件，UNIX中是共享庫.a .so文件)。其結構如下：
其優(yōu)點(diǎn)是能大大提高程序的性能；缺點(diǎn)是破壞了JAVA的可移植性，也對JAVA的安全帶來(lái)了一定的隱患。
其主要產(chǎn)品是TowerJ3.0.
