通过Java代码技巧改善性能

前言

程序的性能受到代码质量的直接影响。这次主要介绍一些代码编写的小技巧和惯例。虽然看起来有些是微不足道的编程技巧，却可能为系统性能带来成倍的提升，因此还是值得关注的。

慎用异常

在Java开发中，经常使用try-catch进行错误捕获，但是try-catch语句对系统性能而言是非常糟糕的。虽然一次try-catch中，无法察觉到她对性能带来的损失，但是一旦try-catch语句被应用于循环或是遍历体内，就会给系统性能带来极大的伤害。

以下是一段将try-catch应用于循环体内的示例代码：

@Test
  public void test11() {

    long start = System.currentTimeMillis();
    int a = 0;
    for(int i=0;i<1000000000;i++){
      try {
        a++;
      }catch (Exception e){
        e.printStackTrace();
      }
    }
    long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
    System.out.println("useTime:"+useTime);

  }

上面这段代码运行结果是：

useTime:10

下面是一段将try-catch移到循环体外的代码，那么性能就提升了将近一半。如下：

@Test
  public void test(){
    long start = System.currentTimeMillis();
    int a = 0;
    try {
      for (int i=0;i<1000000000;i++){
        a++;
      }
    }catch (Exception e){
      e.printStackTrace();
    }
    long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
    System.out.println(useTime);
  }

运行结果：

useTime:6

使用局部变量

调用方法时传递的参数以及在调用中创建的临时变量都保存在栈（Stack）中，速度快。其他变量，如静态变量、实例变量等，都在堆（Heap）中创建，速度较慢。

下面是一段使用局部变量进行计算的代码：

@Test
  public void test11() {

    long start = System.currentTimeMillis();
    int a = 0;
    for(int i=0;i<1000000000;i++){
      a++;
    }
    long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
    System.out.println("useTime:"+useTime);

  }

运行结果：

useTime:5

将局部变量替换为类的静态变量：

static int aa = 0;
  @Test
  public void test(){
    long start = System.currentTimeMillis();

    for (int i=0;i<1000000000;i++){
      aa++;
    }
    long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
    System.out.println("useTime:"+useTime);
  }

运行结果：

useTime:94

通过上面两次的运行结果，可以看出来局部变量的访问速度远远高于类成员变量。

位运算代替乘除法

在所有的运算中，位运算是最为高效的。因此，可以尝试使用位运算代替部分算术运算，来提高系统的运行速度。最典型的就是对于整数的乘除运算优化。

下面是一段使用算术运算的代码：

@Test
  public void test11() {

    long start = System.currentTimeMillis();
    int a = 0;
    for(int i=0;i<1000000000;i++){
      a*=2;
      a/=2;
    }
    long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
    System.out.println("useTime:"+useTime);
  }

运行结果：

useTime:1451

将循环体中的乘除运算改为等价的位运算，代码如下：

@Test
  public void test(){
    long start = System.currentTimeMillis();
    int aa = 0;
    for (int i=0;i<1000000000;i++){
      aa<<=1;
      aa>>=1;
    }
    long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
    System.out.println("useTime:"+useTime);
  }

运行结果：

useTime:10

上两段代码执行了完全相同的功能，在每次循环中，都将整数乘以2，并除以2。但是运行结果耗时相差非常大，所以位运算的效率还是显而易见的。

提取表达式

在软件开发过程中，程序员很容易有意无意地让代码做一些“重复劳动”，在大部分情况下，由于计算机的高速运行，这些“重复劳动”并不会对性能构成太大的威胁，但若希望将系统性能发挥到极致，提取这些“重复劳动”相当有意义。

比如以下代码中进行了两次算术计算：

@Test
  public void testExpression(){
    long start = System.currentTimeMillis();
    double d = Math.random();
    double a = Math.random();
    double b = Math.random();
    double e = Math.random();

    double x,y;
    for(int i=0;i<10000000;i++){
      x = d*a*b/3*4*a;
      y = e*a*b/3*4*a;
    }
    long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
    System.out.println("useTime:"+useTime);

  }

运行结果：

useTime:21

仔细看能发现，两个计算表达式的后半部分完全相同，这也意味着在每次循环中，相同部分的表达式被重新计算了。

那么改进一下后就变成了下面的样子：

@Test
  public void testExpression99(){
    long start = System.currentTimeMillis();
    double d = Math.random();
    double a = Math.random();
    double b = Math.random();
    double e = Math.random();

    double p,x,y;
    for(int i=0;i<10000000;i++){
      p = a*b/3*4*a;
      x = d*p;
      y = e*p;
    }
    long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
    System.out.println("useTime:"+useTime);
  }

运行结果：

useTime:11

通过运行结果我们可以看出来具体的优化效果。

同理，如果在某循环中需要执行一个耗时操作，而在循环体内，其执行结果总是唯一的，也应该提取到循环体外。

例如下面的代码：

for(int i=0;i<100000;i++){
  x[i] = Math.PI*Math.sin(y)*i;
}

应该改进成下面的代码：

//提取复杂，固定结果的业务逻辑处理到循环体外
double p = Math.PI*Math.sin(y);
for(int i=0;i<100000;i++){
  x[i] = p*i;
}

使用arrayCopy()

数组复制是一项使用频率很高的功能，JDK中提供了一个高效的API来实现它。

/**
   * @param   src   the source array.
   * @param   srcPos  starting position in the source array.
   * @param   dest   the destination array.
   * @param   destPos starting position in the destination data.
   * @param   length  the number of array elements to be copied.
   * @exception IndexOutOfBoundsException if copying would cause
   *        access of data outside array bounds.
   * @exception ArrayStoreException if an element in the <code>src</code>
   *        array could not be stored into the <code>dest</code> array
   *        because of a type mismatch.
   * @exception NullPointerException if either <code>src</code> or
   *        <code>dest</code> is <code>null</code>.
   */
  public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,
                    Object dest, int destPos,
                    int length);

如果在应用程序中需要进行数组复制，应该使用这个函数，而不是自己实现。

下面来举例：

@Test
  public void testArrayCopy(){
    int size = 100000;
    int[] array = new int[size];
    int[] arraydest = new int[size];

    for(int i=0;i<array.length;i++){
      array[i] = i;
    }
    long start = System.currentTimeMillis();
    for (int k=0;k<1000;k++){
      //进行复制
      System.arraycopy(array,0,arraydest,0,size);
    }
    long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
    System.out.println("useTime:"+useTime);
  }

运行结果：

useTime:59

相对应地，如果在程序中，自己实现数组复制，其等价代码如下：

@Test
  public void testArrayCopy99(){
    int size = 100000;
    int[] array = new int[size];
    int[] arraydest = new int[size];

    for(int i=0;i<array.length;i++){
      array[i] = i;
    }
    long start = System.currentTimeMillis();
    for (int k=0;k<1000;k++){
      for(int i=0;i<size;i++){
        arraydest[i] = array[i];
      }
    }
    long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
    System.out.println("useTime:"+useTime);
  }

运行结果：

useTime:102

通过运行结果可以看出效果。

因为System.arraycopy()函数是native函数，通常native函数的性能要优于普通函数。仅出于性能考虑，在程序开发时，应尽可能调用native函数。