优化 Java 中的多态代码

来源:ImportNew - 进林

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:

public interface Array { public int get(int i); public void set(int i, int x); public int size(); }

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:

public final class NaiveArray implements Array {
    protected int[] array;
 
    public NaiveArray(int cap) {
        array = new int[cap];
    }
 
    public int get(int i) {
        return array[i];
    }
 
    public void set(int i, int x) {
        array[i] = x; 
    }
 
    public int size() {
        return array.length;
    }
}

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:

public int compute() {
   for(int k = 0; k < array.size(); ++k)
      array.set(k,k);
   int sum = 0;
   for(int k = 0; k < array.size(); ++k)
      sum += array.get(k);
   return sum;
}

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:

public int compute() {
     if(array instanceof NaiveArray) {
        int[] back = ((NaiveArray) array).array;
        for(int k = 0; k < back.length; ++k)
           back[k] = k;
        int sum = 0;
        for(int k = 0; k < back.length; ++k)
           sum += back[k];
        return sum;
     }
     //...
}

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:

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。

转载声明:本文转载自「ImportNew」

原文发布于微信公众号 - 精讲JAVA(toooooooozi)

原文发表时间:2018-04-12

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