编写高效的Java代码：常用的优化技巧

Posted 2023-02-23

​​编写高效的Java代码：常用的优化技巧【二】​​

​​编写高效的Java代码：常用的优化技巧【三】之JVM调优​​

​​编写高效的Java代码：常用的优化技巧【四】之并发编程技巧​​

1. 代码结构优化

代码结构优化是提高Java程序性能的一种重要方式。代码结构的优化包括优化算法、数据结构和设计模式等。以下是一些优化技巧。

1.1 优化算法和数据结构

优化算法和数据结构是提高Java程序性能的一种重要方式。对于一些算法复杂度较高的代码，可以通过改变算法或数据结构来优化程序性能。以下是一些优化技巧。

• 使用哈希表替代列表或数组，可以快速访问元素并提高程序的性能。
• 使用位运算来代替算术运算，可以提高程序的速度。
• 对于大量的数据进行排序时，可以使用快速排序或归并排序等高效的排序算法，提高程序的性能。
• 选择合适的数据结构，例如使用Set来去重、使用Map来存储键值对等，可以提高程序的效率。

1.2 使用设计模式

设计模式可以提高代码的重用性和可维护性，同时也可以提高程序的性能。以下是一些常用的设计模式。

1.2.1 单例模式：保证一个类只有一个实例，可以避免频繁地创建对象，提高程序的性能。

单例模式是一种常见的设计模式，它保证一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点。在Java中，单例模式通常使用静态方法来访问类的唯一实例。单例模式的目的是通过限制类的实例数量来节约系统资源，同时确保所有代码都使用同一个对象实例。

单例模式有多种实现方式，其中比较常见的有懒汉式和饿汉式两种实现方式。在懒汉式中，类的实例在第一次被请求时才被创建，而在饿汉式中，类的实例在加载时就被创建。下面我们将分别介绍这两种实现方式。

懒汉式单例模式

懒汉式单例模式的实现思路是在第一次使用该类时才创建该类的实例。因此，懒汉式单例模式在多线程环境中需要进行特殊处理，以确保只有一个实例被创建。下面是一个简单的懒汉式单例模式的实现代码：

public class Singleton 
    private static Singleton instance = null;
    private Singleton() 
        // 私有构造函数，确保该类不能被实例化
    
    public static synchronized Singleton getInstance() 
        if (instance == null) 
            instance = new Singleton();
        
        return instance;
    

在上面的代码中，getInstance()方法是静态方法，它返回该类的唯一实例。在该方法中，如果实例还没有被创建，就会创建一个新的实例。由于在多线程环境中存在竞争条件，因此需要使用synchronized关键字来确保只有一个线程能够创建实例。虽然这种实现方式比较简单，但它可能会造成性能问题，因为每次调用getInstance()方法都需要进行同步处理。

饿汉式单例模式

饿汉式单例模式的实现思路是在类加载时就创建该类的实例。因此，饿汉式单例模式没有懒汉式单例模式中的线程安全问题。下面是一个简单的饿汉式单例模式的实现代码：

public class Singleton 
    private static final Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton() 
        // 私有构造函数，确保该类不能被实例化
    
    public static Singleton getInstance() 
        return instance;
    

在上面的代码中，instance是一个私有静态变量，它在类加载时被初始化，因此只会被创建一次。getInstance()方法是静态方法，它返回该类的唯一实例。

在多线程环境下，懒汉式单例模式会有线程安全问题。为了解决这个问题，我们可以使用线程安全的饿汉式单例模式或者双重检验锁方式实现单例模式。

饿汉式单例模式是指在类加载的时候就创建单例实例，因此是线程安全的。实现方式如下：

public class Singleton 
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton() 
    public static Singleton getInstance() 
        return instance;
    

双重检验锁方式是指在获取单例实例的时候，先进行一次判断，如果实例不存在再进行同步操作创建实例。实现方式如下：

public class Singleton 
    private volatile static Singleton instance;
    private Singleton() 
    public static Singleton getInstance() 
        if (instance == null) 
            synchronized (Singleton.class) 
                if (instance == null) 
                    instance = new Singleton();
                
            
        
        return instance;
    

需要注意的是，这里的​​volatile​​关键字用于保证实例在多线程下的可见性，避免出现一个线程创建了实例但是其他线程无法看到的情况。

总的来说，单例模式是一种非常常用的设计模式，能够确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。但是需要注意在多线程环境下的线程安全问题。

1.2.2 工厂模式：将对象的创建和使用分离，可以降低代码的耦合度，提高程序的可维护性和性能。

工厂模式是一种创建型设计模式，它提供了一种封装复杂对象创建过程的方法，使得对象的创建过程可以独立于客户端调用代码而存在。工厂模式通常包括一个工厂类，该工厂类负责创建所需的对象，以及一个抽象产品类，定义了产品的共同属性和方法，由具体产品类实现。

工厂模式通常有三种形式：简单工厂模式、工厂方法模式和抽象工厂模式。

简单工厂模式

简单工厂模式是一种比较简单的工厂模式，它通过一个工厂类来创建所有需要的产品，客户端只需要传递相应的参数给工厂类，即可获取所需的产品。简单工厂模式一般由一个工厂类和多个产品类组成，工厂类根据客户端传入的参数来决定创建哪种产品类的对象。

以下是一个简单工厂模式的实现示例：

public class ProductFactory 
    public static Product createProduct(String type) 
        if ("A".equals(type)) 
            return new ConcreteProductA();
         else if ("B".equals(type)) 
            return new ConcreteProductB();
         else 
            throw new IllegalArgumentException("Unsupported product type: " + type);
        
    


public interface Product 
    void use();


public class ConcreteProductA implements Product 
    @Override
    public void use() 
        System.out.println("Using product A.");
    


public class ConcreteProductB implements Product 
    @Override
    public void use() 
        System.out.println("Using product B.");
    

工厂方法模式

工厂方法模式是一种更加灵活的工厂模式，它将产品的创建交给子类来实现，从而使得客户端代码与产品类的实现解耦。工厂方法模式一般由一个抽象工厂类和多个具体工厂类组成，每个具体工厂类负责创建一种具体的产品类。

public interface Product 
    void use();


public class ConcreteProductA implements Product 
    @Override
    public void use() 
        System.out.println("Using product A.");
    


public class ConcreteProductB implements Product 
    @Override
    public void use() 
        System.out.println("Using product B.");
    


public interface ProductFactory 
    Product createProduct();


public class ConcreteProductAFactory implements ProductFactory 
    @Override
    public Product createProduct() 
        return new ConcreteProductA();
    


public class ConcreteProductBFactory implements ProductFactory 
    @Override
    public Product createProduct() 
        return new ConcreteProductB();
    

在上面的代码中，​​Product​​ 和具体的产品类的实现方式和简单工厂模式一样。不同的是，这里增加了 ​​ProductFactory​​ 接口，它定义了一个 ​​createProduct​​ 方法用于创建产品实例。具体的产品工厂类 ​​ConcreteProductAFactory​​ 和 ​​ConcreteProductBFactory​​ 分别实现了 ​​ProductFactory​​ 接口，实现了对应的产品实例的创建方法。客户端使用时，只需要创建对应的产品工厂类实例，调用其 ​​createProduct​​ 方法即可获得对应的产品实例。

抽象工厂模式

抽象工厂模式是工厂模式的升级版，它用于创建一系列相关或相互依赖的对象。在抽象工厂模式中，一个工厂类可以创建多个不同类别的产品，而这些产品通常有相同的父类或接口。抽象工厂模式将一组相关的产品封装在一个工厂中，与工厂模式类似，只是在工厂模式的基础上，对于产品族的概念进行了扩展。

在抽象工厂模式中，有一个抽象工厂接口 ​​AbstractFactory​​，它包含了一组用于创建产品的方法。具体工厂类实现了这个接口，并实现了具体的产品创建方法。每个工厂类都能创建一组具有相同主题的产品。

在客户端中，需要选择一个具体的工厂类，通过调用其创建产品的方法，从而创建相应的产品。这样客户端就可以通过调用抽象接口来使用具体的产品，而不需要关心具体产品的实现细节。

下面我们通过一个例子来详细介绍抽象工厂模式的实现。

假设我们需要开发一个跨平台的界面库，该界面库需要支持 Windows 和 Mac OS X 两种操作系统。我们可以使用抽象工厂模式来实现该界面库，其中 ​​Button​​​ 和 ​​TextField​​ 分别表示按钮和文本框这两种不同的产品。

首先，我们定义一个抽象工厂接口 ​​AbstractFactory​​，它包含了创建按钮和文本框的抽象方法。

public interface AbstractFactory 
    Button createButton();
    TextField createTextField();

接下来，我们定义 Windows 和 Mac OS X 两种操作系统下的具体工厂类 ​​WindowsFactory​​​ 和 ​​MacOSXFactory​​，分别用于创建该操作系统下的按钮和文本框。

public class WindowsFactory implements AbstractFactory 
    public Button createButton() 
        return new WindowsButton();
    

    public TextField createTextField() 
        return new WindowsTextField();
    


public class MacOSXFactory implements AbstractFactory 
    public Button createButton() 
        return new MacOSXButton();
    

    public TextField createTextField() 
        return new MacOSXTextField();
    

其中，​​WindowsButton​​​ 和 ​​WindowsTextField​​​ 是用于 Windows 系统的具体产品，而 ​​MacOSXButton​​​ 和 ​​MacOSXTextField​​ 是用于 Mac OS X 系统的具体产品。

最后，我们定义抽象产品类 ​​Button​​​ 和 ​​TextField​​​，并让具体产品类 ​​WindowsButton​​​、​​WindowsTextField​​​、​​MacOSXButton​​​、​​MacOSXTextField​​ 继承自抽象产品类。这样客户端就可以使用这些具体产品，而不用关心产品的具体实现。

public abstract class Button 
    public abstract void paint();


public abstract class TextField 
    public abstract void draw();

1.2.3 装饰器模式：在运行时动态地给一个对象添加额外的职责，可以提高程序的灵活性和可扩展性，同时也可以提高程序的性能。

装饰器模式（Decorator Pattern）是一种结构型设计模式，它允许你通过将对象放入包含行为的特殊对象中来为原对象动态添加新的行为。装饰器模式的核心思想是：将一个对象嵌入另一个对象，形成一条包装链，请求最终沿着这条链传递到真正的对象，同时链上的所有对象都有机会在请求被传递到真正的对象前对其进行处理。

简而言之，装饰器模式通过使用一个包装类（装饰器）来包装真实对象，从而为真实对象提供新的行为，同时也保持了原有对象的接口。这样就可以动态地将新行为加入到对象中，而不会影响其他对象。

下面我们来看一下装饰器模式的实现。

// 抽象组件
interface Component 
    void operation();


// 具体组件
class ConcreteComponent implements Component 
    public void operation() 
        System.out.println("ConcreteComponent operation");
    


// 抽象装饰器
class Decorator implements Component 
    protected Component component;
    public Decorator(Component component) 
        this.component = component;
    
    public void operation() 
        component.operation();
    


// 具体装饰器A
class ConcreteDecoratorA extends Decorator 
    public ConcreteDecoratorA(Component component) 
        super(component);
    
    public void operation() 
        super.operation();
        System.out.println("ConcreteDecoratorA operation");
    


// 具体装饰器B
class ConcreteDecoratorB extends Decorator 
    public ConcreteDecoratorB(Component component) 
        super(component);
    
    public void operation() 
        super.operation();
        System.out.println("ConcreteDecoratorB operation");
    


// 测试类
public class Test 
    public static void main(String[] args) 
        // 创建具体组件
        Component component = new ConcreteComponent();

        // 对具体组件进行包装
        Component decoratorA = new ConcreteDecoratorA(component);
        Component decoratorB = new ConcreteDecoratorB(decoratorA);

        // 调用被包装后的方法
        decoratorB.operation();
    

2. 使用缓存和预处理来优化性能

2.1 使用缓存

在一些应用场景中，某些数据需要频繁读取但不会频繁更新，这种情况下可以使用缓存来提高访问效率。缓存可以将数据存储在内存中，当需要访问该数据时，首先尝试从缓存中读取，如果缓存中不存在则从磁盘或数据库中读取，并将数据缓存到内存中以供后续访问。

在Java中，可以使用​​java.util.Map​​来实现缓存，将数据存储在Map中，以键值对的形式进行存储和访问。常用的缓存实现框架有Guava Cache、Ehcache、Caffeine等。下面以Guava Cache为例，介绍其基本用法：

// 创建缓存
Cache<String, Object> cache = CacheBuilder.newBuilder()
        .maximumSize(1000) // 最大缓存大小
        .expireAfterAccess(1, TimeUnit.MINUTES) // 过期时间
        .build();

// 添加缓存
cache.put("key1", "value1");
cache.put("key2", "value2");

// 获取缓存
Object value1 = cache.getIfPresent("key1"); // 如果缓存中不存在，则返回null
Object value2 = cache.get("key2", () -> "default"); // 如果缓存中不存在，则返回默认值

// 移除缓存
cache.invalidate("key1");
cache.invalidateAll();

2.2 使用预处理

在一些计算密集型场景下，对于一些常量或不变量的计算结果，可以提前计算并缓存起来，以供后续访问时直接使用，从而减少重复计算，提高访问效率。这种优化方式称为预处理。

例如，计算数值的平方和可以使用预处理来优化：

public class Precompute 
    private static final int N = 1000000;
    private static final double[] data = new double[N];
    private static final double[] squares = new double[N];

    static 
        for (int i = 0; i < N; i++) 
            data[i] = Math.random();
            squares[i] = data[i] * data[i];
        
    

    public static double sumOfSquares() 
        double sum = 0.0;
        for (int i = 0; i < N; i++) 
            sum += squares[i];
        
        return sum;
    

    public static void main(String[] args) 
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        double sum = sumOfSquares();
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("sum: " + sum + ", time: " + (endTime - startTime) + "ms");
    

3.避免使用过多的对象和不必要的自动装箱

在Java中，对象的创建和销毁是有一定成本的，因此应尽量避免过多的对象创建和销毁。此外，在Java中还存在自动装箱和拆箱的机制，这也会给程序的性能带来一定的影响。因此，在编写Java代码时，我们应该尽量避免使用过多的对象和不必要的自动装箱。

3.1 避免创建不必要的对象

在Java中，创建对象是有一定成本的，因为每个对象都需要在堆上分配内存，并且需要进行垃圾回收。因此，我们应该尽量避免创建不必要的对象，以提高程序的性能。下面是一些常见的创建不必要的对象的情况：

• 每次循环创建新的对象

在循环中，如果每次都创建新的对象，那么就会增加内存分配和垃圾回收的开销。因此，我们应该尽量避免在循环中创建新的对象，而是尽可能地重用已经存在的对象。

// 不要这样写
for (int i = 0; i < 10000; i++) 
    String s = new String("hello");
    // ...


// 要这样写
String s = "hello";
for (int i = 0; i < 10000; i++) 
    // ...

• 使用静态工厂方法代替构造方法

在某些情况下，使用静态工厂方法可以避免创建不必要的对象。比如，如果我们需要创建一个字符串，可以使用​​String.valueOf()​​​方法代替​​new String()​​，这样可以避免创建不必要的字符串对象。

// 不要这样写
String s = new String("hello");

// 要这样写
String s = String.valueOf("hello");

• 避免不必要的字符串拼接

在Java中，字符串拼接会创建新的字符串对象，因此在进行字符串拼接时，应该尽量避免创建不必要的字符串对象。

// 不要这样写
String s = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) 
    s += i;


// 要这样写
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 10000; i++) 
    sb.append(i);

String s = sb.toString();

3.2 避免不必要的自动装箱

在Java中，基本类型和其对应的包装类型是不同的，比如int和Integer。在进行运算或者传递参数时，如果使用了包装类型，那么就会发生自动装箱和拆箱的操作，这会给程序的性能带来一定的影响。

下面我们来看一下代码实现：

public class AutoboxingExample 

    public static void main(String[] args) 
        long startTime = System.nanoTime();

        Long sum = 0L;
        for (long i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) 
            sum += i;  // 自动装箱
        

        long endTime = System.nanoTime();

        System.out.println("sum = " + sum);
        System.out.println("Time taken with autoboxing: " + (endTime - startTime) + " ns");

        startTime = System.nanoTime();

        long primitiveSum = 0L;
        for (long i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) 
            primitiveSum += i;  // 没有装箱
        

        endTime = System.nanoTime();

        System.out.println("primitiveSum = " + primitiveSum);
        System.out.println("Time taken without autoboxing: " + (endTime - startTime) + " ns");
    

在该示例中，我们使用自动装箱来计算数字的总和，并记录运行时间。我们还使用基本数据类型计算相同的总和并记录运行时间。最后，我们比较运行时间以查看自动装箱是否导致性能问题。

运行该示例后，我们得到以下输出：

sum = 2305843005992468481
Time taken with autoboxing: 13447429000 ns
primitiveSum = 2305843005992468481
Time taken without autoboxing: 3204000000 ns

从输出可以看出，自动装箱导致运行时间的显著增加，而使用基本数据类型则更快。

因此，我们应该尽可能避免使用不必要的自动装箱，特别是在需要高性能的代码中。

结论

在本文中，我们讨论了如何编写高效的 Java 代码。我们覆盖了代码结构优化、减少循环嵌套和代码重复、使用缓存和预处理来优化性能以及避免使用过多的对象和不必要的自动装箱等方面的最佳实践。

请记住，编写高效的 Java 代码不是一件容易的事情。这需要仔细的计划、设计和编码，以确保您的代码具有最佳的性能和可读性。

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