作者：運(yùn)氣
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日期：2001-7-10 15:50:57
Java在九十年代中期出現(xiàn)以后，在贏得贊嘆的同時(shí)，也引來了一些批評(píng)。贏得的贊嘆主要是Java的跨平臺(tái)的操作性，即所謂的”Write Once,Run Anywhere”.但由于Java的性能和運(yùn)行效率同C相比，仍然有很大的差距，從而引來了很多的批評(píng)。 
對(duì)于服務(wù)器端的應(yīng)用程序，由于不大涉及到界面設(shè)計(jì)和程序的頻繁重啟，Java的性能問題看似不大明顯，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(yīng)用，但實(shí)際上，Java的性能問題在服務(wù)器端依然存在。下面我將分四個(gè)方面來討論Java的性能和執(zhí)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(shí) 
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(píng)判性能的標(biāo)準(zhǔn)。 
1） 運(yùn)算的性能----哪一個(gè)算法的執(zhí)行性能最好 
2） 內(nèi)存的分配----程序需要分配多少內(nèi)存，運(yùn)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-----程序在用戶負(fù)載過重的情況下的表現(xiàn)。 
5） 性能的認(rèn)識(shí)------用戶怎樣才能認(rèn)識(shí)到程序的性能。 
對(duì)于不同的應(yīng)用程序，對(duì)性能的要求也不同。例如，大部分的應(yīng)用程序在啟動(dòng)時(shí)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，從而對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的要求有所降低；服務(wù)器端的應(yīng)用程序通常都分配有較大的內(nèi)存空間，所以對(duì)內(nèi)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(duì)于那些把商務(wù)邏輯運(yùn)用到事務(wù)性操作的應(yīng)用程序來講非常重要。總的來講，對(duì)應(yīng)用程序的要求將決定對(duì)各個(gè)性能的優(yōu)先級(jí)。 
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(shè)計(jì)的方法和模式 
一個(gè)良好的設(shè)計(jì)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言。因?yàn)樗浞掷昧烁鞣N資源，如內(nèi)存，CPU,高速緩存，對(duì)象緩沖池及多線程，從而設(shè)計(jì)出高性能和可伸縮性強(qiáng)的系統(tǒng)。 
當(dāng)然，為了提高程序的性能而改變?cè)瓉淼脑O(shè)計(jì)是比較困難的，但是，程序性能的重要性常常要高于設(shè)計(jì)上帶來的變化。因此，在編程開始之前就應(yīng)該有一個(gè)好的設(shè)計(jì)模型和方法。 
（2） JAVA布署的環(huán)境。 
JAVA布署的環(huán)境就是指用來解釋和執(zhí)行JAVA字節(jié)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(yīng)性優(yōu)化技術(shù)（Adaptive Optimization Technology）, 動(dòng)態(tài)優(yōu)化，提前編譯為機(jī)器碼的技術(shù)（Dynamic Optimization,Ahead Of Time Technology）和編譯為機(jī)器碼的技術(shù)（Translator Technology）. 
這些技術(shù)一般都通過優(yōu)化線程模型，調(diào)整堆和棧的大小來優(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(rèn)了設(shè)計(jì)的合理性后，應(yīng)該調(diào)整JAVA布署的環(huán)境，通過改變一些參數(shù)來提高JAVA應(yīng)用程序的性能。具體內(nèi)容見第二節(jié)。 
（3） JAVA應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn) 
當(dāng)討論應(yīng)用程序的性能問題時(shí)，大多數(shù)的程序員都會(huì)考慮程序的代碼，這當(dāng)然是對(duì)的，當(dāng)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(yīng)用程序中執(zhí)行每個(gè)函數(shù)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(tǒng) 
為了提高JAVA應(yīng)用程序的性能，而采用跟快的CPU和更多的內(nèi)存，并認(rèn)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(yàn)和事實(shí)證明，只有遭到了應(yīng)用程序性能的瓶頸，從而采取適當(dāng)?shù)梅椒ǎ缭O(shè)計(jì)模式，布署的環(huán)境，操作系統(tǒng)的調(diào)整，才是最有效的。 
3．程序中通常的性能瓶頸。 
所有的應(yīng)用程序都存在性能瓶頸，為了提高應(yīng)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。 

[img]http://www.computerworld.com.cn/htm/app/aprog/01_7_9_3a.gif[/img]
 
了解了這些瓶頸后，就可以有針對(duì)性的減少這些瓶頸，從而提高JAVA應(yīng)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(duì)性能的具體要求 
在實(shí)施一個(gè)項(xiàng)目之前，必須要明確該項(xiàng)目對(duì)于程序性能的具體要求，如：這個(gè)應(yīng)用程序要支持5000個(gè)并發(fā)的用戶，并且響應(yīng)時(shí)間要在5秒鐘之內(nèi)。但同時(shí)也要明白對(duì)于性能的要求不應(yīng)該同對(duì)程序的其他要求沖突。 
b) 了解當(dāng)前程序的性能 
你應(yīng)該了解你的應(yīng)用程序的性能同項(xiàng)目所要求性能之間的差距。通常的指標(biāo)是單位時(shí)間內(nèi)的處理數(shù)和響應(yīng)時(shí)間，有時(shí)還會(huì)比較CPU和內(nèi)存的利用率。 
c) 找到程序的性能瓶頸 
為了發(fā)現(xiàn)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(xiàn)諸如過多的異常處理，垃圾回收等潛在的問題。 
d) 采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硖岣咝阅?
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的提高性能的四個(gè)方面，即設(shè)計(jì)模式，JAVA代碼的實(shí)現(xiàn)，布署JAVA的環(huán)境和操作系統(tǒng)來提高應(yīng)用程序的性能。具體內(nèi)容將在下面的內(nèi)容中作詳細(xì)說明。 
e) 只進(jìn)行某一方面的修改來提高性能 
一次只改變可能引起性能降低的某一方面，然后觀察程序的性能是否有所提高，而不應(yīng)該一次改變多個(gè)方面，因?yàn)檫@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)方面沒有，即不能知道程序瓶頸在哪。 
f) 返回到步驟c,繼續(xù)作類似的工作，一直達(dá)到要求的性能為止。 
 
二． JAVA布署的環(huán)境和編譯技術(shù) 
　開發(fā)JAVA應(yīng)用程序時(shí)，首先把JAVA的源程序編譯為與平臺(tái)無關(guān)的字節(jié)碼。這些字節(jié)碼就可以被各種基于JVM的技術(shù)所執(zhí)行。這些技術(shù)主要分為兩個(gè)大類。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： 

[img]http://www.computerworld.com.cn/htm/app/aprog/01_7_9_3b.gif[/img]
 
具體可分為如下的五類：　　 
a) 解釋指令技術(shù) 
其結(jié)構(gòu)圖和執(zhí)行過程如下： 

[img]http://www.computerworld.com.cn/htm/app/aprog/01_7_9_3c.gif[/img] 
 
　JAVA的編譯器首先把JAVA源文件編譯為字節(jié)碼。這些字節(jié)碼對(duì)于JAVA虛擬機(jī)(JVM)來講就是機(jī)器的指令碼。然后，JAVA的解釋器不斷的循環(huán)取出字節(jié)碼進(jìn)行解釋并執(zhí)行。 
　這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)JAVA語言的跨平臺(tái)，同時(shí)生成的字節(jié)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(jié)碼沒有經(jīng)過什么優(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(jié)構(gòu)圖如下所示。 

[img]http://www.computerworld.com.cn/htm/app/aprog/01_7_9_3d.gif[/img] 
 
其主要變化是在JAVA程序執(zhí)行之前，又JIT編譯器把JAVA的字節(jié)碼編譯為機(jī)器碼。從而在程序運(yùn)行時(shí)直接執(zhí)行機(jī)器碼，而不用對(duì)字節(jié)碼進(jìn)行解釋。同時(shí)對(duì)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(jié)果并不在程序運(yùn)行間保存，因此也節(jié)約了存儲(chǔ)空間了加載程序的時(shí)間；缺點(diǎn)是由于JIT編譯器對(duì)所有的代碼都想優(yōu)化，因此也浪費(fèi)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(yīng)性優(yōu)化技術(shù)（Adaptive Optimization Technology） 
同JIT技術(shù)相比，適應(yīng)性優(yōu)化技術(shù)并不對(duì)所有的字節(jié)碼進(jìn)行優(yōu)化。它會(huì)跟蹤程序運(yùn)行的成個(gè)過程，從而發(fā)現(xiàn)需要優(yōu)化的代碼，對(duì)代碼進(jìn)行動(dòng)態(tài)的優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化的代碼，采取80/20的策略。從理論上講，程序運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，代碼就越優(yōu)化。其結(jié)構(gòu)圖如下： 
 
[img]http://www.computerworld.com.cn/htm/app/aprog/01_7_9_3e.gif[/img]
 
其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性優(yōu)化技術(shù)充分利用了程序執(zhí)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(dāng)，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(jī)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(jié)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(jié)碼，而輸出是經(jīng)過高度優(yōu)化的可執(zhí)行代碼和個(gè)來動(dòng)態(tài)庫(kù)的混合(Window中是DLL文件，UNIX中是共享庫(kù).a .so文件)。其結(jié)構(gòu)如下： 

[img]http://www.computerworld.com.cn/htm/app/aprog/01_7_9_3f.gif[/img] 
 
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(duì)JAVA的安全帶來了一定的隱患。 
其主要產(chǎn)品是TowerJ3.0.