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优化Java中的多态代码

2016-12-20 13:13| 发布者: zhangjf| 查看: 526| 评论: 0

摘要: 优化Java中的多态代码 Oracle的Java是一个门快速的语言，有时候它可以和C++一样快。编写java代码时，我们通常使用接口、继承或者包装类（wrapper class）来实现多态，使软件更加灵活。不幸的是，多态会引入更多的调 ...
优化Java中的多态代码

Oracle的Java是一个门快速的语言，有时候它可以和C++一样快。编写java代码时，我们通常使用接口、继承或者包装类（wrapper class）来实现多态，使软件更加灵活。不幸的是，多态会引入更多的调用，让Java的性能变得糟糕。部分问题是，Java不建议使用完全的内联代码，即使它是非常安全的。（这个问题可能会在最新的Java版本里得到缓解，请看文章后面的更新部分）

考虑下这种情况，我们要用接口抽象出一个整型数组：

  1. public interface Array {
  2. public int get(int i);
  3. public void set(int i, int x);
  4. public int size();
  5. }
复制代码

你为什么要这样做？可能是因为你的数据是保存在数据库里、网络上、磁盘上或者在其他的数据结构里。你想一次编码后就不用关心数组的具体实现。

编写一个与标准Java数组一样高效率的类并不难，不同之处在于它实现了这个接口：

  1. public final class NaiveArray implements Array {
  2. protected int[] array;
  4. public NaiveArray(int cap) {
  5. array = new int[cap];
  6. }
  8. public int get(int i) {
  9. return array[i];
  10. }
  12. public void set(int i, int x) {
  13. array[i] = x;
  14. }
  16. public int size() {
  17. return array.length;
  18. }
  19. }
复制代码

至少在理论上，NaiveArray类不会出现任何的性能问题。这个类是final的，所有的方法都很简短。

不幸的是，在一个简单的benchmark类里，当使用NavieArray作为数组实例时，你会发现NavieArray比标准数组慢5倍以上。就像这个例子：

  1. public int compute() {
  2. for(int k = 0; k < array.size(); ++k)
  3. array.set(k,k);
  4. int sum = 0;
  5. for(int k = 0; k < array.size(); ++k)
  6. sum += array.get(k);
  7. return sum;
  8. }
复制代码

你可以通过使用NavieArray作为NavieArray的一个实例来稍微减缓性能问题（避免使用多态）。不幸的是，它依然会慢3倍多。而你仅是放弃了多态的好处。

那么，强制使用内联函数调用会怎样?

一个可行的解决方法是手动实现内联函数。你可以使用 instanceof 关键字来提供优化实现，否则你只会得到一个普通（更慢）的实现。例如，如果你使用下面的代码，NavieArray就会变得和标准数组一样快：

  1. public int compute() {
  2. if(array instanceof NaiveArray) {
  3. int[] back = ((NaiveArray) array).array;
  4. for(int k = 0; k < back.length; ++k)
  5. back[k] = k;
  6. int sum = 0;
  7. for(int k = 0; k < back.length; ++k)
  8. sum += back[k];
  9. return sum;
  10. }
  11. //...
  12. }
复制代码

当然，我也会介绍一个维护问题作为需要实现不止一次的同类算法…… 当出现性能问题时，这是一个可接受的替代。

和往常一样，我的benchmarking代码可以在网上获取到。

总结 一些Java版本可能不完全支持频繁的内联函数调用，即使它可以并且应该支持。这会造成严重的性能问题。 把类声明为 final 看起来不会缓解性能问题。 对于消耗大的函数，可行的解决方法是自己手动优化多态和实现内联函数调用。使用 instanceof 关键字，你可以为一些特定的类编写代码并且（因此）保留多态的灵活性。 更新

Erich Schubert使用 double 数组运行简单的benchmark类发现他的运行结果与我的结果相矛盾，而且我们的变量实现都是一样的。我通过更新到最新版本的OpenJDK证明了他的结果。下面的表格给出了处理10百万整数需要的纳秒时间：

Function Oracle JDK 8u11 OpenJDK 1.8.0_40 OpenJDK 1.7.0_65
straight arrays 0.92 0.71 0.87
with interface 5.9 0.70 6.3
with manual inlining 0.98 0.71 0.93

正如我们看到的，最新版本的OpenJDK十分智能，并且消除了多态的性能开销（1.8.0_40)。如果你足够幸运地在使用这个JDK，你不需要担心这 篇文章所说的性能问题。但是，这个总体思想依然值得应用在更复杂的场景里。例如，JDK优化可能依然达不到你期待的性能要求。

原文链接： lemire 翻译： ImportNew.com - 进林
译文链接： http://www.importnew.com/14393.html

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