Java性能时间与空间消耗
一、减少时间消耗
- 标准代码优化
(1) 将循环不变量的计算移出循环
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例如：for (int i=0; i<size()*2; i++) { ... } ------> for (int i=0, stop=size()*2; i<stop; i++) { ... } |
(2) 避免重复计算
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例如：if (birds.elementAt(i).isGrower()) ... if (birds.elementAt(i).isPullet()) ... ------> Bird bird = birds.elementAt(i); if (bird.isGrower()) ... if (bird.isPullet()) ... |
(3) 减少数据索引访问次数，它比一般变量访问要慢的多，尤其是在大数组和循环次数比较多的情况下
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例如：double[] rowsum = new double[n]; for (int i=0; i<n; i++) for (int j=0; j<m; j++) rowsum[i] += arr[i][j]; -----------> double[] rowsum = new double[n]; for (int i=0; i<n; i++) { double[] arri = arr[i]; double sum = 0.0; for (int j=0; j<m; j++) sum += arri[j]; rowsum[i] = sum; } |
(4) 将常量声明为final static 或 final ，以便编译器可以将它们内联且在编译时预先计算好它们的值
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例如：public final string BASE_NAME = “WH”; public final static string BASE_NAME = “WH”; |
(5) 用switch - case替代if-else-if,如果不能替代，通常用一个final static HashMap替代它
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例如：int i = 9; if(i == 0) { } else if(i == 1) {…… } else if(i == 2) {…… } -------------> int i = 9; switch(i) { case 0: break; case 1: break; case 2: break; default: } |
(6) 不要使用另类的写法，来完成一个while循环
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例如:int year = 0; double sum = 200.0; double[] balance = new double[100]; while ((balance[year++] = sum *= 1.05) < 1000.0); |
2.作用域和变量优化
(1) 访问局部变量、方法参数要比实例变量、类变量快的多
(2) 在嵌套语句块内部和循环体内部声明变量，没有运行时的开销，所以尽量将变量越本地化越好，有助于编译器优化程序，同时也提高了代码的可读性
3.字符串优化
(1) 避免通过“+”建立字符串的多次拼接（消耗内存）,尽量使用StringBuilder拼接字符串
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例如：String s = ""; for (int i=0; i<n; i++) { s += "#" + i; } --------------> StringBuilder sbuf = new StringBuilder(); for (int i=0; i<n; i++) { sbuf.append("#").append(i); } String s = sbuf.toString(); |
(2) 下面的情况和StringBuilder 一样，编译器会自动把字符串串起来
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例如：String s = "(" + x + ", " + y + ")"; |
(3) 避免频繁地对字符串对象调用substring和index索引方法
4.常量数组优化
(1) 避免在方法内部声明一个只包含常量的数组，应该把数组提为全局常量数组，这样可以避免每次方法调用都生成数组对象的时间开销
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例如：public static int monthdays(int y, int m) { int[] monthlengths = { 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31 }; return m == 2 && leapyear(y) ? 29 : monthlengths[m-1]; } ------------> private final static int[] monthlengths = { 31, 28, 31, 30, 31, 30, 31, 31, 30, 31, 30, 31 }; public static int monthdays(int y, int m) { return m == 2 && leapyear(y) ? 29 : monthlengths[m-1]; } |
(2) 对一些耗时的运算，可以采用预先处理数组的内容来优化
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例如：private final static double[] logFac = new double[100]; static { double logRes = 0.0; for (int i=1, stop=logFac.length; i<stop; i++) logFac[i] = logRes += Math.log(i); } public static double logBinom(int n, int k) { return logFac[n] - logFac[n-k] - logFac[k]; } |
5.方法优化
(1) 被private final static修饰的方法运行更快(根据实际业务使用)
(2) 如果确定一个类的方法不需要被子类重写，那么将方法用final修饰，这样更快
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例如：class Foo { private int size; ... public final int getSize() { return size; } } |
(3) 使用接口作为方法参数来代替它的实现类，这样更快
6.排序和查找优化
(1) 除非数组或者链表元素很少，否则不要使用选择排序、冒泡排序和插入排序。而要使用堆排序(对于数组)、归并排序(链表)和快速排序(对于数组)。
(2) 更推荐的做法是使用JDK标准API内置的排序方法，时间复杂度为O(nlog(n))
对数组排序用Arrays.sort（它的实现代码使用改良的快速排序算法，不会占用额外内存空间，但是不稳定）
对链表排序用Collections.sort（稳定算法，但会使用额外内存空间）
(3) 避免对数组和链表进行线性查找，除非你明确知道要查找的次数很少或者数组和链表长度很短
对于数组使用Arrays.binarySearch，但前提是数组已经有序，并且数组如包含多个要查找的元素，不能保证返回哪一个的index
对于链表使用Collections.binarySearch，前提也是链表已经有序
使用哈希查找：HashSet<T>、HashMap<K, V>等
使用二叉查找树：TreeSet<T>和TreeMap<K, V>，一般要提供一个Comparator作为构造函数参数，如果不提供则按照自然顺序排序
7.异常优化
(1) new Exception(...)会构建一个异常堆栈路径，非常耗费时间和空间，尤其是在递归调用的时候。创建异常对象一般比创建普通对象要慢30-100倍。自定义异常类时，层级不要太多。或者使用try-catch块抛出异常更快。
(2) 可以通过重写Exception类的fillInStackTrace方法而避免过长堆栈路径的生成
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例如：class MyException extends Exception { public Throwable fillInStackTrace() { return this; } } |
(3) 所以有节制地使用异常，不要将异常用于控制流程、终止循环等。只将异常用于意外和错误场景（文件找不到、非法输入格式等）。尽量复用之前创建的异常对象。即，根据具体的情况需要时，再去自定义使用异常。
8.集合类优化
(1) 如果使用HashSet或者HashMap，确保key对象有一个快速合理的hashCode实现，并且要遵守hashCode和equals实现规约。
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例如：class Person { private String name; private int id; Person(String name,int id) { this.name = name; this.id = id; } public void setName(String name){ …… } public String getName(){ …… } public void setId(int id){ …… } public int getId(){ …… } public int hashCode(){ return name.hashCode()+id; } public boolean equals(Object obj){ if(obj instanceof Person){ Person p = (Person)obj; return(name.equals(p.name) && id == p.id); } return super.equals(obj); } } |
(2) 如果使用TreeSet<T>或者TreeMap<K, V>，确保key对象有一个快速合理的compareTo实现；或者在创建TreeSet<T>或者TreeMap<K, V>时显式提供一个Comparator<T>
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例如：public class test_treeset { @SuppressWarnings("unchecked") public static void main(String[] args) { Set ts = new TreeSet(); ts.add(new Teacher("zhangsan", 1)); ts.add(new Teacher("lisi", 2)); ts.add(new Teacher("wangmazi", 3)); ts.add(new Teacher("wangwu",4)); ts.add(new Teacher("mazi", 3)); Iterator it = ts.iterator(); while (it.hasNext()) { System.out.println(it.next()); } } } class Teacher implements Comparable { int num; String name; Teacher(String name, int num) { this.num = num; this.name = name; } public String toString() { return "学号：" + num + " 姓名：" + name; } //o中存放时的红黑二叉树中的节点，从根节点开始比较 public int compareTo(Object o) { Teacher ss = (Teacher) o; int result = num < ss.num ? 1 : (num == ss.num ? 0 : -1);//降序 //int result = num > ss.num ? 1 : (num == ss.num ? 0 : -1);//升序 if (result == 0) { result = name.compareTo(ss.name); } return result; } } |
(3) 对链表遍历优先使用迭代器遍历或者for(T x: lst)，for(T x: lst)隐式地使用了迭代器来遍历链表。而对于数组遍历优先使用索引访问：for(int i = 0; i < array.length; i++)
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例如：int size = lst.size(); for (int i=0; i<size; i++) System.out.println(lst.get(i)); -----------> for (T x : lst) System.out.println(x); |
(4) 避免频繁调用LinkedList<T>或ArrayList<T>的remove(Object o)方法，它们会进行线性查找
(5) 避免频繁调用LinkedList<T>的add(int i, T x)和remove(int i)方法，它们会执行线性查找来确定索引为i的元素
(6) 最好避免遗留的集合类如Vector、Hashtable和Stack，因为它们的所有方法都用synchronized修饰，每个方法调用都必须先获得对象内置锁，增加了运行时开销。如果确实需要一个同步的集合，使用synchronziedCollection以及其他类似方法，或者使用ConcurrentHashMap
(7) 集合类只能存储引用类型数据，例如，Integer、Double、Float……
9.输入输出优化(IO)
(1) 使用缓冲输入和输出（BufferedReader、BufferedWriter、BufferedInputStream和BufferedOutputStream）可以提升IO速度
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例如：BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(in)); |
(2) 将文件压缩后存到磁盘，这样读取时更快，虽然会耗费额外的CPU来进行解压缩。网络传输时也尽量压缩后传输。Java中压缩有关的类：ZipInputStream、ZipOutputStream、GZIPInputStream和GZIPOutputStream
10.空间和对象创建优化
(1) 如果程序使用很多空间（内存），它一般也将耗费更多的时间：对象分配和垃圾回收需要耗费时间、使用过多内存可能导致不能很好利用CPU缓存甚至可能需要使用虚存（访问磁盘而不是RAM）。而且根据JVM的垃圾回收器的不同，使用太多内存可能导致长时间的回收停顿，这对于交互式系统和实时应用是不能忍受的。
(2) 对象创建需要耗费时间（分配内存、初始化、垃圾回收等），所以避免不必要的对象创建。但是记住不要轻易引入对象池除非确实有必要。大部分情况，使用对象池仅仅会导致代码量增加和维护代价增大，并且对象池可能引入一些微妙的问题。
(3) 不要创建一些不会被使用到的对象
11.数组批量化操作优化
数组批量操作比对数组进行for循环要快得多，部分原因在于数组批量操作只需进行一次边界检查，而对数组进行for循环，每一次循环都必须检查边界。
(1) System.arrayCopy(src, si, dst, di, n) 从源数组src拷贝片段[si...si+n-1]到目标数组dst[di...di+n-1]
(2) boolean Arrays.equals(arr1, arr2) 返回true，当且仅当arr1和arr2的长度相等并且元素一一对象相等（equals)
(3) void Arrays.fill(arr, x) 将数组arr的所有元素设置为x
(4) void Arrays.fill(arr, i, j x) 将数组arr的[i..j-1]索引处的元素设置为x
(5) int Arrays.hashCode(arr) 基于数组的元素计算数组的hashcode
* 12. 科学计算优化
Colt（http://acs.lbl.gov/software/colt/）是一个科学计算开源库，可以用于线性代数、稀疏和紧凑矩阵、数据分析统计，随机数生成，数组算法，代数函数和复数等。
*13.反射优化
(1) 通过反射创建对象、访问属性、调用方法比一般的创建对象、访问属性和调用方法要慢得多
(2) 访问权限检查（反射调用private方法或者反射访问private属性时会进行访问权限检查，需要通过setAccessible(true)来达到目的）可能会让反射调用方法更慢，可以通过将方法声明为public来比避免一些开销。这样做之后可以提高8倍。
14.编译器和jVM平台优化
(1) Sun公司的HotSpot Client JVM会进行一些代码优化，但一般将快速启动放在主动优化之前进行考虑
(2) Sun公司的HotSpot Server JVM（-server选项，Windows平台无效）会进行一些主动优化，但可能带来更长的启动延迟
(3) IBM的JVM也会进行一些主动优化
(4) J2ME和一些手持设备（如PDA）不包含JIT编译，很可能不会进行任何优化
二、减少空间消耗
1.堆（对象）和栈（方法参数、局部变量等）。堆被所有线程共享，但栈被每个线程独享
2.空间消耗的三个重要方面是：Allocation Rate(分配频率)、Retention（保留率）和Fragmentation（内存碎片）
Allocation Rate是程序创建新对象的频率，频率越高耗费的时间和空间越多。
Retention是存活的堆数据数量。这个值越高需要耗费越多的空间和时间（垃圾回收器执行分配和去分配工作时需要进行更多的管理工作）
Fragmentation：内存碎片是指小块无法使用的内存。如果一直持续创建大对象，可能会引起过多的内存碎片。从而需要更多的时间分配内存（因为要查找一个足够大的连续可用内存块），并且会浪费更多的空间因为内存碎片无法被利用。当然某些GC算法可以避免过多内存碎片的产生，但相应的算法代价也较高。
3.内存泄漏（程序泄漏引起的）
4.垃圾回收器的种类（分代收集、标记清除、引用计数、增量收集、压缩...）对Allocation Rate、Retention和Fragmentation的时间空间消耗影响很大
5.确保所有的对象之间的常量字段是静态的
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例如： public class Car { ImageIcon symbol = new ImageIcon("porsche.gif"); ... } ---------------> public class Car { final static ImageIcon symbol = new ImageIcon("porsche.gif"); ... } |
6.对象延迟创建,当不确定某个类是否将会被使用，那这个类里面的实例对象需要时再创建
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例如： public class Car { private Button button = new JButton(); public Car() { ... initialize button ... } public final JButton getButton() { return button; } } ——————————> public class Car { private Button button = null; public Car() { ... } public final JButton getButton() { if (button == null) { // button not yet created, so create it button = new JButton(); ... initialize button ... } return button; } } |