Java 代碼性能優化的 40- 細節

在 JAVA 程序中，性能問題的大部分原因並不在於 JAVA 語言，而是程序本身。養成良好的編碼習慣非常重要，能夠顯著地提升程序性能。

在合適的場合使用單例

使用單例可以減輕加載的負擔，縮短加載的時間，提高加載的效率，但並不是所有地方都適用於單例，簡單來說，單例主要適用於以下三個方面：

• 控制資源的使用，通過線程同步來控制資源的併發訪問；

• 控制實例的產生，以達到節約資源的目的；

• 控制數據共享，在不建立直接關聯的條件下，讓多個不相關的進程或線程之間實現通信。

避免隨意使用靜態變量

當某個對象被定義爲 static 變量所引用，那麼 GC 通常是不會回收這個對象所佔有的內存，如

public class A {
    private static B b = new B();
}

此時靜態變量 b 的生命週期與 A 類同步，如果 A 類不會卸載，那麼 b 對象會常駐內存，直到程序終止。

避免過多過常地創建 Java 對象

儘量避免在經常調用的方法，循環中 new 對象，由於系統不僅要花費時間來創建對象，而且還要花時間對這些對象進行垃圾回收和處理，在我們可以控制的範圍內，最大限度地重用對象，最好能用基本的數據類型或數組來替代對象。

使用 final 修飾符

帶有 final 修飾符的類是不可派生的。在 JAVA 核心 API 中，有許多應用 final 的例子，例如 java、lang、String，爲 String 類指定 final 防止了使用者覆蓋 length() 方法。

另外，如果一個類是 final 的，則該類所有方法都是 final 的。java 編譯器會尋找機會內聯（inline）所有的 final 方法（這和具體的編譯器實現有關），此舉能夠使性能平均提高 50%。

如：讓訪問實例內變量的 getter/setter 方法變成”final：

簡單的 getter/setter 方法應該被置成 final，這會告訴編譯器，這個方法不會被重載，所以，可以變成”inlined”, 例子：

class MAF {
    public void setSize (int size) {
        _size = size;
    }
    private int _size;
}

更正

class DAF_fixed {
    final public void setSize (int size) {
        _size = size;
    }
    private int _size;
}

使用局部變量

調用方法時傳遞的參數以及在調用中創建的臨時變量都保存在棧（Stack）中，速度較快；其他變量，如靜態變量、實例變量等，都在堆（Heap）中創建，速度較慢。

處理好包裝類型和基本類型兩者的使用場所

雖然包裝類型和基本類型在使用過程中是可以相互轉換，但它們兩者所產生的內存區域是完全不同的，基本類型數據產生和處理都在棧中處理，包裝類型是對象，是在堆中產生實例。

在集合類對象，有對象方面需要的處理適用包裝類型，其他的處理提倡使用基本類型。

慎用 synchronized，儘量減小 synchronize 的方法

都知道，實現同步是要很大的系統開銷作爲代價的，甚至可能造成死鎖，所以儘量避免無謂的同步控制。synchronize 方法被調用時，直接會把當前對象鎖了，在方法執行完之前其他線程無法調用當前對象的其他方法。所以，synchronize 的方法儘量減小，並且應儘量使用方法同步代替代碼塊同步。

不要使用 finalize 方法

實際上，將資源清理放在 finalize 方法中完成是非常不好的選擇，由於 GC 的工作量很大，尤其是回收 Young 代內存時，大都會引起應用程序暫停，所以再選擇使用 finalize 方法進行資源清理，會導致 GC 負擔更大，程序運行效率更差。

使用基本數據類型代替對象

String
 str = 
"hello"
;

上面這種方式會創建一個 “hello” 字符串，而且 JVM 的字符緩存池還會緩存這個字符串；

String
 str = 
new
 
String
(
"hello"
);

此時程序除創建字符串外，str 所引用的 String 對象底層還包含一個 char[] 數組，這個 char[] 數組依次存放了 h,e,l,l,o

多線程在未發生線程安全前提下應儘量使用 HashMap、ArrayList

HashTable、Vector 等使用了同步機制，降低了性能。

合理的創建 HashMap

當你要創建一個比較大的 hashMap 時，充分利用這個構造函數

public
 
HashMap
(
int
 initialCapacity, 
float
 loadFactor);

避免 HashMap 多次進行了 hash 重構, 擴容是一件很耗費性能的事，在默認中 initialCapacity 只有 16，而 loadFactor 是 0.75，需要多大的容量，你最好能準確的估計你所需要的最佳大小，同樣的 Hashtable，Vectors 也是一樣的道理。

減少對變量的重複計算

如：

for
(
int
 i=
0
;i<list.size();i++)

應該改爲：

for
(
int
 i=
0
,len=list.size();i<len;i++)

並且在循環中應該避免使用複雜的表達式，在循環中，循環條件會被反覆計算，如果不使用複雜表達式，而使循環條件值不變的話，程序將會運行的更快。

避免不必要的創建

如：

A a = new A();
  if(i==1){
    list.add(a);
}

應該改爲：

if(i==1){
    A a = new A();
    list.add(a);
}

在 finally 塊中釋放資源

程序中使用到的資源應當被釋放，以避免資源泄漏，這最好在 finally 塊中去做。不管程序執行的結果如何，finally 塊總是會執行的，以確保資源的正確關閉。

使用移位來代替'a/b'的操作

"/" 是一個代價很高的操作，使用移位的操作將會更快和更有效

如：

int num = a / 4;
int num = a / 8;

應該改爲：

int num = a >> 2;
int num = a >> 3;

但注意的是使用移位應添加註釋，因爲移位操作不直觀，比較難理解。

使用移位來代替'a*b'的操作

同樣的，對於'*'操作，使用移位的操作將會更快和更有效

如：

int num = a * 4;
int num = a * 8;

應該改爲：

int num = a << 2;
int num = a << 3;

確定 StringBuffer 的容量

StringBuffer 的構造器會創建一個默認大小（通常是 16）的字符數組。在使用中，如果超出這個大小，就會重新分配內存，創建一個更大的數組，並將原先的數組複製過來，再丟棄舊的數組。

在大多數情況下，你可以在創建 StringBuffer 的時候指定大小，這樣就避免了在容量不夠的時候自動增長，以提高性能。

如：

StringBuffer
 buffer = 
new
 
StringBuffer
(
1000
);

避免使用二維數組

二維數據佔用的內存空間比一維數組多得多，大概 10 倍以上。

避免使用 split

除非是必須的，否則應該避免使用 split，split 由於支持正則表達式，所以效率比較低，如果是頻繁的幾十，幾百萬的調用將會耗費大量資源，如果確實需要頻繁的調用 split，可以考慮使用 apache 的 StringUtils.split(string,char)，頻繁 split 的可以緩存結果。

ArrayList & LinkedList

一個是線性表，一個是鏈表，一句話，隨機查詢儘量使用 ArrayList，ArrayList 優於 LinkedList，LinkedList 還要移動指針，添加刪除的操作 LinkedList 優於 ArrayList，ArrayList 還要移動數據，不過這是理論性分析，事實未必如此，重要的是理解好 2 者得數據結構，對症下藥。

使用 System.arraycopy () 代替通過來循環複製數組

System.arraycopy() 要比通過循環來複制數組快的多。

緩存經常使用的對象

儘可能將經常使用的對象進行緩存，可以使用數組，或 HashMap 的容器來進行緩存，但這種方式可能導致系統佔用過多的緩存，性能下降，推薦可以使用一些第三方的開源工具，如 EhCache，Oscache 進行緩存，他們基本都實現了 FIFO/FLU 等緩存算法。

避免非常大的內存分配

有時候問題不是由當時的堆狀態造成的，而是因爲分配失敗造成的。分配的內存塊都必須是連續的，而隨着堆越來越滿，找到較大的連續塊越來越困難。

26. 慎用異常

當創建一個異常時，需要收集一個棧跟蹤 (stack track)，這個棧跟蹤用於描述異常是在何處創建的。構建這些棧跟蹤時需要爲運行時棧做一份快照，正是這一部分開銷很大。當需要創建一個 Exception 時，

JVM 不得不說：先別動，我想就您現在的樣子存一份快照，所以暫時停止入棧和出棧操作。棧跟蹤不只包含運行時棧中的一兩個元素，而是包含這個棧中的每一個元素。

如果您創建一個 Exception ，就得付出代價，好在捕獲異常開銷不大，因此可以使用 try-catch 將核心內容包起來。從技術上講，你甚至可以隨意地拋出異常，而不用花費很大的代價。

招致性能損失的並不是 throw 操作——儘管在沒有預先創建異常的情況下就拋出異常是有點不尋常。真正要花代價的是創建異常，幸運的是，好的編程習慣已教會我們，不應該不管三七二十一就拋出異常。

異常是爲異常的情況而設計的，使用時也應該牢記這一原則。

重用對象

特別是 String 對象的使用中，出現字符串連接情況時應使用 StringBuffer 代替，由於系統不僅要花時間生成對象，以後可能還需要花時間對這些對象進行垃圾回收和處理。因此生成過多的對象將會給程序的性能帶來很大的影響。

不要重複初始化變量

默認情況下，調用類的構造函數時，java 會把變量初始化成確定的值，所有的對象被設置成 null，整數變量設置成 0，float 和 double 變量設置成 0.0，邏輯值設置成 false。當一個類從另一個類派生時，這一點尤其應該注意，因爲用 new 關鍵字創建一個對象時，構造函數鏈中的所有構造函數都會被自動調用。

這裏有個注意，給成員變量設置初始值但需要調用其他方法的時候，最好放在一個方法。比如 initXXX() 中，因爲直接調用某方法賦值可能會因爲類尚未初始化而拋空指針異常，如：public int state = this.getState()。

及時關閉 IO

在 java 編程過程中，進行數據庫連接，I/O 流操作，在使用完畢後，及時關閉以釋放資源。因爲對這些大對象的操作會造成系統大的開銷。

不要在循環中使用 Try/Catch 語句，應把 Try/Catch 放在循環最外層

Error 是獲取系統錯誤的類，或者說是虛擬機錯誤的類。不是所有的錯誤 Exception 都能獲取到的，虛擬機報錯 Exception 就獲取不到，必須用 Error 獲取。

通過 StringBuffer 的構造函數來設定它的初始化容量

可以明顯提升性能

StringBuffer 的默認容量爲 16，當 StringBuffer 的容量達到最大容量時，它會將自身容量增加到當前的 2 倍 + 2，也就是 2*n+2。無論何時，只要 StringBuffer 到達它的最大容量，它就不得不創建一個新的對象數組，然後複製舊的對象數組，這會浪費很多時間。所以給 StringBuffer 設置一個合理的初始化容量值，是很有必要的！

HaspMap 的遍歷：

Map<String, String[]> paraMap = new HashMap<String, String[]>();
for( Entry<String, String[]> entry : paraMap.entrySet() ) {
    String appFieldDefId = entry.getKey();
    String[] values = entry.getValue();
}

利用散列值取出相應的 Entry 做比較得到結果，取得 entry 的值之後直接取 key 和 value。

array(數組) 和 ArrayList 的使用

array 數組效率最高，但容量固定，無法動態改變，ArrayList 容量可以動態增長，但犧牲了效率。

單線程使用 HashMap, ArrayList,

除非必要，否則不推薦使用 HashTable,Vector，它們使用了同步機制，而降低了性能。

StringBuffer,StringBuilder 的區別

java.lang.StringBuffer 線程安全的可變字符序列。一個類似於 String 的字符串緩衝區，但不能修改。StringBuilder 與該類相比，通常應該優先使用 StringBuilder 類，因爲它支持所有相同的操作，但由於它不執行同步，所以速度更快。爲了獲得更好的性能，在構造 StringBuffer 或 StringBuilder 時應儘量指定她的容量。當然如果不超過 16 個字符時就不用了。相同情況下，使用 StringBuilder 比使用 StringBuffer 僅能獲得 10%~15% 的性能提升，但卻要冒多線程不安全的風險。綜合考慮還是建議使用 StringBuffer。

以下舉幾個實用優化的例子：

一、避免在循環條件中使用複雜表達式

在不做編譯優化的情況下，在循環中，循環條件會被反覆計算，如果不使用複雜表達式，而使循環條件值不變的話，程序將會運行的更快。例子：

import java.util.Vector;
class CEL {
    void method (Vector vector) {
        for (int i = 0; i < vector.size (); i++) // Violation
          ; // ...
        }
    }
}

更正：

class CEL_fixed {
    void method (Vector vector) {
        int size = vector.size ()
        for (int i = 0; i < size; i++)
            ; // ...
        }
}

二、爲'Vectors' 和'Hashtables'定義初始大小

JVM 爲 Vector 擴充大小的時候需要重新創建一個更大的數組，將原原先數組中的內容複製過來，最後，原先的數組再被回收。可見 Vector 容量的擴大是一個頗費時間的事。

通常，默認的 10 個元素大小是不夠的。你最好能準確的估計你所需要的最佳大小。例子：

import java.util.Vector;
public class DIC {
    public void addObjects (Object[] o) {
        // if length > 10, Vector needs to expand
        for (int i = 0; i< o.length;i++) {
            v.add(o); // capacity before it can add more elements.
        }
    }
    public Vector v = new Vector(); // no initialCapacity.
}

更正：

自己設定初始大小。

public Vector v = new Vector(20);
public Hashtable hash = new Hashtable(10);

三、在 finally 塊中關閉 Stream

程序中使用到的資源應當被釋放，以避免資源泄漏。這最好在 finally 塊中去做。不管程序執行的結果如何，finally 塊總是會執行的，以確保資源的正確關閉。

四、使用'System.arraycopy ()'代替通過來循環複製數組

例子：

public class IRB {
    void method () {
        int[] array1 = new int [100];
        for (int i = 0; i < array1.length; i++) {
            array1 [i] = i;
        }
        int[] array2 = new int [100];
        for (int i = 0; i < array2.length; i++) {
            array2 [i] = array1 [i]; // Violation
        }
    }
}

更正：

public class IRB {
    void method () {
        int[] array1 = new int [100];
        for (int i = 0; i < array1.length; i++) {
            array1 [i] = i;
        }
        int[] array2 = new int [100];
        System.arraycopy(array1, 0, array2, 0, 100);
    }
}

五、讓訪問實例內變量的 getter/setter 方法變成”final”

簡單的 getter/setter 方法應該被置成 final，這會告訴編譯器，這個方法不會被重載，所以，可以變成”inlined”, 例子：

class MAF {
    public void setSize (int size) {
        _size = size;
    }
    private int _size;
}

更正：

class DAF_fixed {
    final public void setSize (int size) {
        _size = size;
    }
    private int _size;
}

六、對於常量字符串，用'String' 代替'StringBuffer'

常量字符串並不需要動態改變長度。

例子：

public class USC {
    String method () {
        StringBuffer s = new StringBuffer ("Hello");
        String t = s + "World!";
        return t;
    }
}

更正：把 StringBuffer 換成 String，如果確定這個 String 不會再變的話，這將會減少運行開銷提高性能。

七、在字符串相加的時候，使用 '' 代替" "，如果該字符串只有一個字符的話

例子：

public class STR {
    public void method(String s) {
        String string = s + "d" // violation.
        string = "abc" + "d" // violation.
    }
}

更正：

將一個字符的字符串替換成' '

public class STR {
    public void method(String s) {
        String string = s + 'd'
        string = "abc" + 'd'
    }
}

以上僅是 Java 方面編程時的性能優化，性能優化大部分都是在時間、效率、代碼結構層次等方面的權衡，各有利弊，不要把上面內容當成教條，或許有些對我們實際工作適用，有些不適用，還望根據實際工作場景進行取捨，活學活用，變通爲宜。

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