Java程序優化的一些最佳實踐

作者通過經歷的一個項目實例，介紹Java代碼優化的過程，總結了優化Java程序的一些最佳實踐，分析了進行優化的方法，並解釋了性能提升的原因。作者從多個角度分析導致性能低的原因，並逐個進行優化，最終使得程序的性能得到極大提升，增強了代碼的可讀性、可擴展性。

一、衡量程序的標準
衡量一個程序是否優質，可以從多個角度進行分析。其中，最常見的衡量標準是程序的時間複雜度、空間複雜度，以及代碼的可讀性、可擴展性。針對程序的時間複雜度和空間複雜度，想要優化程序代碼，需要對數據結構與算法有深入的理解，並且熟悉計算機系統的基本概念和原理；而針對代碼的可讀性和可擴展性，想要優化程序代碼，需要深入理解軟件架構設計，熟知並會應用合適的設計模式。

首先，如今計算機系統的存儲空間已經足夠大了，達到了 TB 級別，因此相比於空間複雜度，時間複雜度是程序員首要考慮的因素。爲了追求高性能，在某些頻繁操作執行時，甚至可以考慮用空間換取時間。
其次，由於受到處理器製造工藝的物理限制、成本限制，CPU主頻的增長遇到了瓶頸，摩爾定律已漸漸失效，每隔18個月CPU主頻即翻倍的時代已經過去了，程序員的編程方式發生了徹底的改變。在目前這個多核多處理器的時代，涌現了原生支持多線程的語言（如Java）以及分佈式並行計算框架（如Hadoop）。爲了使程序充分地利用多核CPU，簡單地實現一個單線程的程序是遠遠不夠的，程序員需要能夠編寫出併發或者並行的多線程程序。
最後，大型軟件系統的代碼行數達到了百萬級，如果沒有一個設計良好的軟件架構，想在已有代碼的基礎上進行開發，開發代價和維護成本是無法想象的。一個設計良好的軟件應該具有可讀性和可擴展性，遵循“開閉原則”、“依賴倒置原則”、“面向接口編程”等。

二、項目介紹

本文將介紹筆者經歷的一個項目中的一部分，通過這個實例剖析代碼優化的過程。下面簡要地介紹該系統的相關部分。

該系統的開發語言爲Java，部署在共擁有4核CPU的Linux服務器上，相關部分主要有以下操作：通過某外部系統D提供的REST API獲取信息，從中提取出有效的信息，並通過JDBC 存儲到某數據庫系統S中，供系統其他部分使用，上述操作的執行頻率爲每天一次，一般在午夜當系統空閒時定時執行。爲了實現高可用性（High Availability），外部系統D部署在兩臺服務器上，因此需要分別從這兩臺服務器上獲取信息並將信息插入數據庫中，有效信息的條數達到了上千條，數據庫插入操作次數則爲有效信息條數的兩倍。

圖 1.系統體系結構圖

爲了快速地實現預期效果，在最初的實現中優先考慮了功能的實現，而未考慮系統性能和代碼可讀性等。系統大致有以下的實現：

REST API獲取信息、數據庫操作可能拋出的異常信息都被記錄到日誌文件中，作爲調試用；
共有5次數據庫連接操作，包括第一次清空數據庫表，針對兩個外部系統D各有兩次數據庫插入操作，這5個連接都是獨立的，用完之後即釋放；
所有的數據庫插入語句都是使用java.sql.Statement類生成的；
所有的數據庫插入語句，都是單條執行的，即生成一條執行一條；
整個過程都是在單個線程中執行的，包括數據庫表清空操作，數據庫插入操作，釋放數據庫連接；
數據庫插入操作的JDBC代碼散佈在代碼中。雖然這個版本的系統可以正常運行，達到了預期的效果，但是效率很低，從通過 REST API獲取信息，到解析並提取有效信息，再到數據庫插入操作，總共耗時100秒左右。而預期的時間應該在一分鐘以內，這顯然是不符合要求的。

三、代碼優化過程

筆者開始分析整個過程有哪些耗時操作，以及如何提升效率，縮短程序執行的時間。通過REST API獲取信息，因爲是使用外部系統提供的API，所以無法在此處提升效率；取得信息之後解析出有效部分，因爲是對特定格式的信息進行解析，所以也無效率提升的空間。所以，效率可以大幅度提升的空間在數據庫操作部分以及程序控制部分。下面，分條敘述對耗時操作的改進方法。

1. 針對日誌記錄的優化

關閉日誌記錄，或者更改日誌輸出級別。因爲從兩臺服務器的外部系統D上獲取到的信息是相同的，所以數據庫插入操作會拋出異常，異常信息類似於“Attempt to insert duplicate record”，這樣的異常信息跟有效信息的條數相等，有上千條。這種情況是能預料到的，所以可以考慮關閉日誌記錄，或者不關閉日誌記錄而是更改日誌輸出級別，只記錄嚴重級別（severe level）的錯誤信息，並將此類操作的日誌級別調整爲警告級別（warning level），這樣就不會記錄以上異常信息了。本項目使用的是 Java 自帶的日誌記錄類，以下配置文件將日誌輸出級別設置爲嚴重級別。

清單 1. log.properties 設置日誌輸出級別的片段

default file output is in user
’ 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

通過上述的優化之後，性能有了大幅度的提升，從原來的 100 秒左右降到了 50 秒左右。爲什麼僅僅不記錄日誌就能有如此大幅度的性能提升呢？查閱資料，發現已經有人做了相關的研究與實驗。經常聽到 Java 程序比 C/C++ 程序慢的言論，但是運行速度慢的真正原因是什麼，估計很多人並不清楚。對於 CPU 密集型的程序（即程序中包含大量計算），Java 程序可以達到 C/C++ 程序同等級別的速度，但是對於 I/O 密集型的程序（即程序中包含大量 I/O 操作），Java 程序的速度就遠遠慢於 C/C++ 程序了，很大程度上是因爲 C/C++ 程序能直接訪問底層的存儲設備。因此，不記錄日誌而得到大幅度性能提升的原因是，Java 程序的 I/O 操作較慢，是一個很耗時的操作。

2. 針對數據庫連接的優化

共享數據庫連接。共有 5 次數據庫連接操作，每次都需重新建立數據庫連接，數據庫插入操作完成之後又立即釋放了，數據庫連接沒有被複用。爲了做到共享數據庫連接，可以通過單例模式（Singleton Pattern）獲得一個相同的數據庫連接，每次數據庫連接操作都共享這個數據庫連接。這裏沒有使用數據庫連接池（Database Connection Pool）是因爲在程序只有少量的數據庫連接操作，只有在大量併發數據庫連接的時候才需要連接池。

清單 2. 共享數據庫連接的代碼片段

public class JdbcUtil {

 private static Connection con;

 // 從配置文件讀取連接數據庫的信息

 private static String driverClassName;

 private static String url;

 private static String username;

 private static String password;

 private static String currentSchema;

 private static Properties properties = new Properties();

 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();

 }

 }

 private JdbcUtil() {}

 // 獲得一個單例的、共享的數據庫連接

 public static Connection getConnection() {

 return con;

 }

 public static void close() throws SQLException {

 if (con
!= null)

 con.close();

 }

 }

通過上述的優化之後，性能有了小幅度的提升，從 50 秒左右降到了 40 秒左右。共享數據庫連接而得到的性能提升的原因是，數據庫連接是一個耗時耗資源的操作，需要同遠程計算機進行網絡通信，建立 TCP 連接，還需要維護連接狀態表，建立數據緩衝區。如果共享數據庫連接，則只需要進行一次數據庫連接操作，省去了多次重新建立數據庫連接的時間。

3. 針對插入數據庫記錄的優化 - 1

使用預編譯 SQL。具體做法是使用 java.sql.PreparedStatement 代替 java.sql.Statement 生成 SQL 語句。PreparedStatement 使得數據庫預先編譯好 SQL 語句，可以傳入參數。而 Statement 生成的 SQL 語句在每次提交時，數據庫都需進行編譯。在執行大量類似的 SQL 語句時，可以使用 PreparedStatement 提高執行效率。使用 PreparedStatement 的另一個好處是不需要拼接 SQL 語句，代碼的可讀性更強。通過上述的優化之後，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 語句，執行效率不高，代碼可讀性不強

StringBuilder sql = new StringBuilder();

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

// 預編譯 SQL 語句，執行效率高，可讀性強

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

PreparedStatement pst = con.prepareStatement(sql);

pst.setString(1,column1Value);

pst.setString(2,column2Value);

pst.execute();

4. 針對插入數據庫記錄的優化 - 2

使用 SQL 批處理。通過 java.sql.PreparedStatement 的 addBatch 方法將 SQL 語句加入到批處理，這樣在調用 execute 方法時，就會一次性地執行 SQL 批處理，而不是逐條執行。通過上述的優化之後，性能有了小幅度的提升，從 30~35 秒左右降到了 30 秒左右。

5. 針對多線程的優化

使用多線程實現併發 / 並行。清空數據庫表的操作、把從 2 個外部系統 D 取得的數據插入數據庫記錄的操作，是相互獨立的任務，可以給每個任務分配一個線程執行。清空數據庫表的操作應該先於數據庫插入操作完成，可以通過 java.lang.Thread 類的 join 方法控制線程執行的先後次序。在單核 CPU 時代，操作系統中某一時刻只有一個線程在運行，通過進程 / 線程調度，給每個線程分配一小段執行的時間片，可以實現多個進程 / 線程的併發（concurrent）執行。而在目前的多核多處理器背景下，操作系統中同一時刻可以有多個線程並行（parallel）執行，大大地提高了計算速度。

清單 5. 使用多線程的代碼片段

Thread t0 = new Thread(new ClearTableTask());

Thread t1 = new Thread(new StoreServersTask(ADDRESS1));

Thread t2 = new Thread(new StoreServersTask(ADDRESS2));

try {

 t0.start();

 // 執行完清空操作後，再進行後續操作

 t0.join();

 t1.start();

 t2.start();

 t1.join();

 t2.join();

} catch (InterruptedException
e) {

 e.printStackTrace();

}

// 斷開數據庫連接

try {

 JdbcUtil.close();

} catch (SQLException
e) {

 e.printStackTrace();

}

通過上述的優化之後，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，系統部署所在的服務器是多核多處理器的，使用多線程，給每個任務分配一個線程執行，可以充分地利用 CPU 計算資源。

筆者試着給每個任務分配兩個線程執行，希望能使程序運行得更快，但是事與願違，此時程序運行的時間反而比每個任務分配一個線程執行的慢，大約 20 秒。筆者推測，這是因爲線程較多（相對於 CPU 的內核數），使得 CPU 忙於線程的上下文切換，過多的線程上下文切換使得程序的性能反而不如之前。因此，要根據實際的硬件環境，給任務分配適量的線程執行。

6. 針對設計模式的優化

使用 DAO 模式抽象出數據訪問層。原來的代碼中混雜着 JDBC 操作數據庫的代碼，代碼結構顯得十分凌亂。使用 DAO 模式（Data Access Object Pattern）可以抽象出數據訪問層，這樣使得程序可以獨立於不同的數據庫，即便訪問數據庫的代碼發生了改變，上層調用數據訪問的代碼無需改變。並且程序員可以擺脫單調繁瑣的數據庫代碼的編寫，專注於業務邏輯層面的代碼的開發。通過上述的優化之後，性能並未有提升，但是代碼的可讀性、可擴展性大大地提高了。

清單 6. 使用 DAO 模式的代碼片段

// DeviceDAO.java，定義了 DAO 抽象，上層的業務邏輯代碼引用該接口，面向接口編程

public interface DeviceDAO {

   public void add(Device device);

}

// DeviceDAOImpl.java，DAO 實現，具體的 SQL 語句和數據庫操作由該類實現

public class DeviceDAOImpl implements DeviceDAO {

   private Connection con;

   public DeviceDAOImpl() {

       // 獲得數據庫連接，代碼略去

   }

@Override

public void add(Device device) {

       // 使用 PreparedStatement 進行數據庫插入記錄操作，代碼略去

   }

}

回顧以上代碼優化過程：關閉日誌記錄、共享數據庫連接、使用預編譯 SQL、使用 SQL 批處理、使用多線程實現併發 / 並行、使用 DAO 模式抽象出數據訪問層，程序運行時間從最初的 100 秒左右降低到 15 秒以下，在性能上得到了很大的提升，同時也具有了更好的可讀性和可擴展性。

四、結束語

通過該項目實例，筆者深深地感到，想要寫出一個性能優化、可讀性可擴展性強的程序，需要對計算機系統的基本概念、原理，編程語言的特性，軟件系統架構設計都有較深入的理解。“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，想要將這些基本理論、編程技巧融會貫通，還需要不斷地實踐，並總結心得體會。