有助于改善性能的Java代码技巧

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。

使用Buffer进行I/O操作

除NIO外，使用Java进行I/O操作有两种基本方式；

1、使用基于InpuStream和OutputStream的方式；

2、使用Writer和Reader;

无论使用哪种方式进行文件I/O，如果能合理地使用缓冲，就能有效地提高I/O的性能。

InputStream、OutputStream、Writer和Reader配套使用的缓冲组件。

如下图：

使用缓冲组件对文件I/O进行包装，可以有效提升文件I/O的性能。

下面是一个直接使用InputStream和OutputStream进行文件读写的代码：

　　@Test
    public void testOutAndInputStream(){

        try {
            DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(new FileOutputStream("/IdeaProjects/client2/src/test/java/com/client2/cnblogtest/teststream.txt"));
            long start = System.currentTimeMillis();
            for(int i=0;i<10000;i++){
                dataOutputStream.writeBytes(Objects.toString(i)+"\r\n");
            }
            dataOutputStream.close();
            long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
            System.out.println("写入数据--useTime:"+useTime);
            //开始读取数据
            long startInput = System.currentTimeMillis();
            DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(new FileInputStream("/IdeaProjects/client2/src/test/java/com/client2/cnblogtest/teststream.txt"));

            while (dataInputStream.readLine() != null){
            }
            dataInputStream.close();
            long useTimeInput = System.currentTimeMillis()-startInput;
            System.out.println("读取数据--useTimeInput:"+useTimeInput);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }

运行结果：

写入数据--useTime:660
读取数据--useTimeInput:274

使用缓冲的代码如下：

    @Test
    public void testBufferedStream(){

        try {
            DataOutputStream dataOutputStream = new DataOutputStream(
                    new BufferedOutputStream(new FileOutputStream("/IdeaProjects/client2/src/test/java/com/client2/cnblogtest/teststream.txt")));
            long start = System.currentTimeMillis();
            for(int i=0;i<10000;i++){
                dataOutputStream.writeBytes(Objects.toString(i)+"\r\n");
            }
            dataOutputStream.close();
            long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
            System.out.println("写入数据--useTime:"+useTime);
            //开始读取数据
            long startInput = System.currentTimeMillis();
            DataInputStream dataInputStream = new DataInputStream(
                    new BufferedInputStream(new FileInputStream("/IdeaProjects/client2/src/test/java/com/client2/cnblogtest/teststream.txt")));

            while (dataInputStream.readLine() != null){
            }
            dataInputStream.close();
            long useTimeInput = System.currentTimeMillis()-startInput;
            System.out.println("读取数据--useTimeInput:"+useTimeInput);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }

运行结果：

写入数据--useTime:22
读取数据--useTimeInput:12

通过运行结果，我们能很明显的看出来使用缓冲的代码，无论在读取还是写入文件上，性能都有了数量级的提升。

使用Wirter和Reader也有类似的效果。

如下代码：

　　 @Test
    public void testWriterAndReader(){

        try {
            long start = System.currentTimeMillis();
            FileWriter fileWriter = new FileWriter("/IdeaProjects/client2/src/test/java/com/client2/cnblogtest/teststream.txt");
            for (int i=0;i<100000;i++){
                fileWriter.write(Objects.toString(i)+"\r\n");
            }
            fileWriter.close();
            long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
            System.out.println("写入数据--useTime:"+useTime);
            //开始读取数据
            long startReader = System.currentTimeMillis();
            FileReader fileReader = new FileReader("/IdeaProjects/client2/src/test/java/com/client2/cnblogtest/teststream.txt");
            while (fileReader.read() != -1){
            }
            fileReader.close();
            long useTimeInput = System.currentTimeMillis()-startReader;
            System.out.println("读取数据--useTimeInput:"+useTimeInput);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }

运行结果：

写入数据--useTime:221
读取数据--useTimeInput:147

对应的使用缓冲的代码：

    @Test
    public void testBufferedWriterAndReader(){

        try {
            long start = System.currentTimeMillis();
            BufferedWriter fileWriter = new BufferedWriter(
                    new FileWriter("/IdeaProjects/client2/src/test/java/com/client2/cnblogtest/teststream.txt"));
            for (int i=0;i<100000;i++){
                fileWriter.write(Objects.toString(i)+"\r\n");
            }
            fileWriter.close();
            long useTime = System.currentTimeMillis()-start;
            System.out.println("写入数据--useTime:"+useTime);
            //开始读取数据
            long startReader = System.currentTimeMillis();
            BufferedReader fileReader = new BufferedReader(
                    new FileReader("/IdeaProjects/client2/src/test/java/com/client2/cnblogtest/teststream.txt"));
            while (fileReader.read() != -1){
            }
            fileReader.close();
            long useTimeInput = System.currentTimeMillis()-startReader;
            System.out.println("读取数据--useTimeInput:"+useTimeInput);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }

    }

运行结果：

写入数据--useTime:157
读取数据--useTimeInput:59

通过运行结果可以看出，使用了缓冲后，无论是FileReader还是FileWriter的性能都有较为明显的提升。

在上面的例子中，由于FileReader和FilerWriter的性能要优于直接使用FileInputStream和FileOutputStream所以循环次数增加了10倍。

 

 

 

 

后面会持续更新。。。