作者通過(guò)經(jīng)歷的一個(gè)項(xiàng)目實(shí)例，介紹Java代碼優(yōu)化的過(guò)程，總結(jié)了優(yōu)化Java程序的一些最佳實(shí)踐，分析了進(jìn)行優(yōu)化的方法，并解釋了性能提升的原因。作者從多個(gè)角度分析導(dǎo)致性能低的原因，并逐個(gè)進(jìn)行優(yōu)化，最終使得程序的性能得到極大提升，增強(qiáng)了代碼的可讀性、可擴(kuò)展性。

一、衡量程序的標(biāo)準(zhǔn) 衡量一個(gè)程序是否優(yōu)質(zhì)，可以從多個(gè)角度進(jìn)行分析。其中，最常見(jiàn)的衡量標(biāo)準(zhǔn)是程序的時(shí)間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度，以及代碼的可讀性、可擴(kuò)展性。針對(duì)程序的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度，想要優(yōu)化程序代碼，需要對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法有深入的理解，并且熟悉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念和原理；而針對(duì)代碼的可讀性和可擴(kuò)展性，想要優(yōu)化程序代碼，需要深入理解軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，熟知并會(huì)應(yīng)用合適的設(shè)計(jì)模式。

首先，如今計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間已經(jīng)足夠大了，達(dá)到了 TB 級(jí)別，因此相比于空間復(fù)雜度，時(shí)間復(fù)雜度是程序員首要考慮的因素。為了追求高性能，在某些頻繁操作執(zhí)行時(shí)，甚至可以考慮用空間換取時(shí)間。

其次，由于受到處理器制造工藝的物理限制、成本限制，CPU主頻的增長(zhǎng)遇到了瓶頸，摩爾定律已漸漸失效，每隔18個(gè)月CPU主頻即翻倍的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去了，程序員的編程方式發(fā)生了徹底的改變。在目前這個(gè)多核多處理器的時(shí)代，涌現(xiàn)了原生支持多線程的語(yǔ)言(如Java)以及分布式并行計(jì)算框架(如Hadoop)。為了使程序充分地利用多核CPU，簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)一個(gè)單線程的程序是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，程序員需要能夠編寫出并發(fā)或者并行的多線程程序。

最后，大型軟件系統(tǒng)的代碼行數(shù)達(dá)到了百萬(wàn)級(jí)，如果沒(méi)有一個(gè)設(shè)計(jì)良好的軟件架構(gòu)，想在已有代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)代價(jià)和維護(hù)成本是無(wú)法想象的。一個(gè)設(shè)計(jì)良好的軟件應(yīng)該具有可讀性和可擴(kuò)展性，遵循“開(kāi)閉原則”、“依賴倒置原則”、“面向接口編程”等。

二、項(xiàng)目介紹本文將介紹筆者經(jīng)歷的一個(gè)項(xiàng)目中的一部分，通過(guò)這個(gè)實(shí)例剖析代碼優(yōu)化的過(guò)程。下面簡(jiǎn)要地介紹該系統(tǒng)的相關(guān)部分。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為Java，部署在共擁有4核CPU的Linux服務(wù)器上，相關(guān)部分主要有以下操作：通過(guò)某外部系統(tǒng)D提供的REST API獲取信息，從中提取出有效的信息，并通過(guò)JDBC 存儲(chǔ)到某數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)S中，供系統(tǒng)其他部分使用，上述操作的執(zhí)行頻率為每天一次，一般在午夜當(dāng)系統(tǒng)空閑時(shí)定時(shí)執(zhí)行。為了實(shí)現(xiàn)高可用性(High Availability)，外部系統(tǒng)D部署在兩臺(tái)服務(wù)器上，因此需要分別從這兩臺(tái)服務(wù)器上獲取信息并將信息插入數(shù)據(jù)庫(kù)中，有效信息的條數(shù)達(dá)到了上千條，數(shù)據(jù)庫(kù)插入操作次數(shù)則為有效信息條數(shù)的兩倍。圖 1.系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

為了快速地實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果，在最初的實(shí)現(xiàn)中優(yōu)先考慮了功能的實(shí)現(xiàn)，而未考慮系統(tǒng)性能和代碼可讀性等。系統(tǒng)大致有以下的實(shí)現(xiàn)：

REST API獲取信息、數(shù)據(jù)庫(kù)操作可能拋出的異常信息都被記錄到日志文件中，作為調(diào)試用；

共有5次數(shù)據(jù)庫(kù)連接操作，包括第一次清空數(shù)據(jù)庫(kù)表，針對(duì)兩個(gè)外部系統(tǒng)D各有兩次數(shù)據(jù)庫(kù)插入操作，這5個(gè)連接都是獨(dú)立的，用完之后即釋放；

所有的數(shù)據(jù)庫(kù)插入語(yǔ)句都是使用java.sql.Statement類生成的；

所有的數(shù)據(jù)庫(kù)插入語(yǔ)句，都是單條執(zhí)行的，即生成一條執(zhí)行一條；

整個(gè)過(guò)程都是在單個(gè)線程中執(zhí)行的，包括數(shù)據(jù)庫(kù)表清空操作，數(shù)據(jù)庫(kù)插入操作，釋放數(shù)據(jù)庫(kù)連接；

數(shù)據(jù)庫(kù)插入操作的JDBC代碼散布在代碼中。雖然這個(gè)版本的系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期的效果，但是效率很低，從通過(guò) REST API獲取信息，到解析并提取有效信息，再到數(shù)據(jù)庫(kù)插入操作，總共耗時(shí)100秒左右。而預(yù)期的時(shí)間應(yīng)該在一分鐘以內(nèi)，這顯然是不符合要求的。

三、代碼優(yōu)化過(guò)程筆者開(kāi)始分析整個(gè)過(guò)程有哪些耗時(shí)操作，以及如何提升效率，縮短程序執(zhí)行的時(shí)間。通過(guò)REST API獲取信息，因?yàn)槭鞘褂猛獠肯到y(tǒng)提供的API，所以無(wú)法在此處提升效率；取得信息之后解析出有效部分，因?yàn)槭菍?duì)特定格式的信息進(jìn)行解析，所以也無(wú)效率提升的空間。所以，效率可以大幅度提升的空間在數(shù)據(jù)庫(kù)操作部分以及程序控制部分。下面，分條敘述對(duì)耗時(shí)操作的改進(jìn)方法。1.? 針對(duì)日志記錄的優(yōu)化關(guān)閉日志記錄，或者更改日志輸出級(jí)別。因?yàn)閺膬膳_(tái)服務(wù)器的外部系統(tǒng)D上獲取到的信息是相同的，所以數(shù)據(jù)庫(kù)插入操作會(huì)拋出異常，異常信息類似于“Attempt to insert duplicate record”，這樣的異常信息跟有效信息的條數(shù)相等，有上千條。這種情況是能預(yù)料到的，所以可以考慮關(guān)閉日志記錄，或者不關(guān)閉日志記錄而是更改日志輸出 級(jí)別，只記錄嚴(yán)重級(jí)別(severe level)的錯(cuò)誤信息，并將此類操作的日志級(jí)別調(diào)整為警告級(jí)別(warning level)，這樣就不會(huì)記錄以上異常信息了。本項(xiàng)目使用的是 Java 自帶的日志記錄類，以下配置文件將日志輸出級(jí)別設(shè)置為嚴(yán)重級(jí)別。清單 1. log.properties 設(shè)置日志輸出級(jí)別的片段

defaultfile?output?isinuser?’?s?home?directory.

levels?can?be:?SEVERE,?WARNING,?INFO,?FINE,?FINER,?FINEST

java.util.logging.ConsoleHandler.level=SEVERE

java.util.logging.FileHandler.formatter=java.util.logging.SimpleFormatter

java.util.logging.FileHandler.append=true

通過(guò)上述的優(yōu)化之后，性能有了大幅度的提升，從原來(lái)的 100 秒左右降到了 50 秒左右。為什么僅僅不記錄日志就能有如此大幅度的性能提升呢？查閱資料，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有人做了相關(guān)的研究與實(shí)驗(yàn)。經(jīng)常聽(tīng)到 Java 程序比 C/C++ 程序慢的言論，但是運(yùn)行速度慢的真正原因是什么，估計(jì)很多人并不清楚。對(duì)于 CPU 密集型的程序(即程序中包含大量計(jì)算)，Java 程序可以達(dá)到 C/C++ 程序同等級(jí)別的速度，但是對(duì)于 I/O 密集型的程序(即程序中包含大量 I/O 操作)，Java 程序的速度就遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于 C/C++ 程序了，很大程度上是因?yàn)?C/C++ 程序能直接訪問(wèn)底層的存儲(chǔ)設(shè)備。因此，不記錄日志而得到大幅度性能提升的原因是，Java 程序的 I/O 操作較慢，是一個(gè)很耗時(shí)的操作。

2.? 針對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)連接的優(yōu)化

共享數(shù)據(jù)庫(kù)連接。共有 5 次數(shù)據(jù)庫(kù)連接操作，每次都需重新建立數(shù)據(jù)庫(kù)連接，數(shù)據(jù)庫(kù)插入操作完成之后又立即釋放了，數(shù)據(jù)庫(kù)連接沒(méi)有被復(fù)用。為了做到共享數(shù)據(jù)庫(kù)連接，可以通過(guò)單例模式 (Singleton Pattern)獲得一個(gè)相同的數(shù)據(jù)庫(kù)連接，每次數(shù)據(jù)庫(kù)連接操作都共享這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)連接。這里沒(méi)有使用數(shù)據(jù)庫(kù)連接池(Database Connection Pool)是因?yàn)樵诔绦蛑挥猩倭康臄?shù)據(jù)庫(kù)連接操作，只有在大量并發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)連接的時(shí)候才需要連接池。

清單 2. 共享數(shù)據(jù)庫(kù)連接的代碼片段

publicclassJdbcUtil?{

privatestaticConnection?con;

//?從配置文件讀取連接數(shù)據(jù)庫(kù)的信息

privatestaticString?driverClassName;

privatestaticString?url;

privatestaticString?username;

privatestaticString?password;

privatestaticString?currentSchema;

privatestaticProperties?properties?=newProperties();

static{

//?driverClassName,?url,?username,?password,?currentSchema?等從配置文件讀取，代碼略去

try{

Class.forName(driverClassName);

}?catch(ClassNotFoundException?e)?{

e.printStackTrace();

}

properties.setProperty("user",?username);

properties.setProperty("password",?password);

properties.setProperty("currentSchema",?currentSchema);

try{

con?=?DriverManager.getConnection(url,?properties);

}?catch(SQLException?e)?{

e.printStackTrace();

}

}

privateJdbcUtil()?{}

//?獲得一個(gè)單例的、共享的數(shù)據(jù)庫(kù)連接

publicstaticConnection?getConnection()?{

returncon;

}

publicstaticvoidclose()throwsSQLException?{

if(con?!=null)

con.close();

}

}

通過(guò)上述的優(yōu)化之后，性能有了小幅度的提升，從 50 秒左右降到了 40 秒左右。共享數(shù)據(jù)庫(kù)連接而得到的性能提升的原因是，數(shù)據(jù)庫(kù)連接是一個(gè)耗時(shí)耗資源的操作，需要同遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，建立 TCP 連接，還需要維護(hù)連接狀態(tài)表，建立數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。如果共享數(shù)據(jù)庫(kù)連接，則只需要進(jìn)行一次數(shù)據(jù)庫(kù)連接操作，省去了多次重新建立數(shù)據(jù)庫(kù)連接的時(shí)間。

3.? 針對(duì)插入數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的優(yōu)化 - 1

使用預(yù)編譯 SQL。具體做法是使用 java.sql.PreparedStatement 代替 java.sql.Statement 生成 SQL 語(yǔ)句。PreparedStatement 使得數(shù)據(jù)庫(kù)預(yù)先編譯好 SQL 語(yǔ)句，可以傳入?yún)?shù)。而 Statement 生成的 SQL 語(yǔ)句在每次提交時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)都需進(jìn)行編譯。在執(zhí)行大量類似的 SQL 語(yǔ)句時(shí)，可以使用 PreparedStatement 提高執(zhí)行效率。使用 PreparedStatement 的另一個(gè)好處是不需要拼接 SQL 語(yǔ)句，代碼的可讀性更強(qiáng)。通過(guò)上述的優(yōu)化之后，性能有了小幅度的提升，從 40 秒左右降到了 30~35 秒左右。

清單 3. 使用 Statement 的代碼片段

//?需要拼接?SQL?語(yǔ)句，執(zhí)行效率不高，代碼可讀性不強(qiáng)

StringBuilder?sql?=?newStringBuilder();

sql.append("insert?into?table1(column1,column2)?values('");

sql.append(column1Value);

sql.append("','");

sql.append(column2Value);

sql.append("');");

Statement?st;

try{

st?=?con.createStatement();

st.executeUpdate(sql.toString());

}?catch(SQLException?e)?{

e.printStackTrace();

}

清單 4. 使用 PreparedStatement 的代碼片段

//?預(yù)編譯?SQL?語(yǔ)句，執(zhí)行效率高，可讀性強(qiáng)

String?sql?=?“insert?into?table1(column1,column2)?values(?,?)”;

PreparedStatement?pst?=?con.prepareStatement(sql);

pst.setString(1,column1Value);

pst.setString(2,column2Value);

pst.execute();

4.? 針對(duì)插入數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的優(yōu)化 - 2

使用 SQL 批處理。通過(guò) java.sql.PreparedStatement 的 addBatch 方法將 SQL 語(yǔ)句加入到批處理，這樣在調(diào)用 execute 方法時(shí)，就會(huì)一次性地執(zhí)行 SQL 批處理，而不是逐條執(zhí)行。通過(guò)上述的優(yōu)化之后，性能有了小幅度的提升，從 30~35 秒左右降到了 30 秒左右。

5.? 針對(duì)多線程的優(yōu)化

使用多線程實(shí)現(xiàn)并發(fā) / 并行。清空數(shù)據(jù)庫(kù)表的操作、把從 2 個(gè)外部系統(tǒng) D 取得的數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的操作，是相互獨(dú)立的任務(wù)，可以給每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)線程執(zhí)行。清空數(shù)據(jù)庫(kù)表的操作應(yīng)該先于數(shù)據(jù)庫(kù)插入操作完成，可以通過(guò) java.lang.Thread 類的 join 方法控制線程執(zhí)行的先后次序。在單核 CPU 時(shí)代，操作系統(tǒng)中某一時(shí)刻只有一個(gè)線程在運(yùn)行，通過(guò)進(jìn)程 / 線程調(diào)度，給每個(gè)線程分配一小段執(zhí)行的時(shí)間片，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程 / 線程的并發(fā)(concurrent)執(zhí)行。而在目前的多核多處理器背景下，操作系統(tǒng)中同一時(shí)刻可以有多個(gè)線程并行(parallel)執(zhí)行，大大地提高了 計(jì)算速度。

清單 5. 使用多線程的代碼片段

Thread?t0?=newThread(newClearTableTask());

Thread?t1?=?newThread(newStoreServersTask(ADDRESS1));

Thread?t2?=?newThread(newStoreServersTask(ADDRESS2));

try{

t0.start();

//?執(zhí)行完清空操作后，再進(jìn)行后續(xù)操作

t0.join();

t1.start();

t2.start();

t1.join();

t2.join();

}?catch(InterruptedException?e)?{

e.printStackTrace();

}

//?斷開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)連接

try{

JdbcUtil.close();

}?catch(SQLException?e)?{

e.printStackTrace();

}

通過(guò)上述的優(yōu)化之后，性能有了大幅度的提升，從 30 秒左右降到了 15 秒以下，10~15 秒之間。使用多線程而得到的性能提升的原因是，系統(tǒng)部署所在的服務(wù)器是多核多處理器的，使用多線程，給每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)線程執(zhí)行，可以充分地利用 CPU 計(jì)算資源。

筆者試著給每個(gè)任務(wù)分配兩個(gè)線程執(zhí)行，希望能使程序運(yùn)行得更快，但是事與愿違，此時(shí)程序運(yùn)行的時(shí)間反而比每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)線程執(zhí)行的慢，大約 20 秒。筆者推測(cè)，這是因?yàn)榫€程較多(相對(duì)于 CPU 的內(nèi)核數(shù))，使得 CPU 忙于線程的上下文切換，過(guò)多的線程上下文切換使得程序的性能反而不如之前。因此，要根據(jù)實(shí)際的硬件環(huán)境，給任務(wù)分配適量的線程執(zhí)行。

6.? 針對(duì)設(shè)計(jì)模式的優(yōu)化

使用 DAO 模式抽象出數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。原來(lái)的代碼中混雜著 JDBC 操作數(shù)據(jù)庫(kù)的代碼，代碼結(jié)構(gòu)顯得十分凌亂。使用 DAO 模式(Data Access Object Pattern)可以抽象出數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，這樣使得程序可以獨(dú)立于不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，即便訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的代碼發(fā)生了改變，上層調(diào)用數(shù)據(jù)訪問(wèn)的代碼無(wú)需改變。并且程 序員可以擺脫單調(diào)繁瑣的數(shù)據(jù)庫(kù)代碼的編寫，專注于業(yè)務(wù)邏輯層面的代碼的開(kāi)發(fā)。通過(guò)上述的優(yōu)化之后，性能并未有提升，但是代碼的可讀性、可擴(kuò)展性大大地提高 了。

清單 6. 使用 DAO 模式的代碼片段

//?DeviceDAO.java，定義了?DAO?抽象，上層的業(yè)務(wù)邏輯代碼引用該接口，面向接口編程

publicinterfaceDeviceDAO?{

publicvoidadd(Device?device);

}

//?DeviceDAOImpl.java，DAO?實(shí)現(xiàn)，具體的?SQL?語(yǔ)句和數(shù)據(jù)庫(kù)操作由該類實(shí)現(xiàn)

publicclassDeviceDAOImplimplementsDeviceDAO?{

privateConnection?con;

publicDeviceDAOImpl()?{

//?獲得數(shù)據(jù)庫(kù)連接，代碼略去

}

@Override

publicvoidadd(Device?device)?{

//?使用?PreparedStatement?進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)插入記錄操作，代碼略去

}

}

回顧以上代碼優(yōu)化過(guò)程：關(guān)閉日志記錄、共享數(shù)據(jù)庫(kù)連接、使用預(yù)編譯 SQL、使用 SQL 批處理、使用多線程實(shí)現(xiàn)并發(fā) / 并行、使用 DAO 模式抽象出數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，程序運(yùn)行時(shí)間從最初的 100 秒左右降低到 15 秒以下，在性能上得到了很大的提升，同時(shí)也具有了更好的可讀性和可擴(kuò)展性。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)該項(xiàng)目實(shí)例，筆者深深地感到，想要寫出一個(gè)性能優(yōu)化、可讀性可擴(kuò)展性強(qiáng)的程序，需要對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念、原理，編程語(yǔ)言的特性，軟件系統(tǒng) 架構(gòu)設(shè)計(jì)都有較深入的理解。“紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行”，想要將這些基本理論、編程技巧融會(huì)貫通，還需要不斷地實(shí)踐，并總結(jié)心得體會(huì)。

總結(jié)

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