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Java核心类与性能优化


 

       1. 散列表核心类

  Vector——线程安全,ArrayList——线程不安全

  Hashtable——线程安全,HashMap——线程不安全

  · Vector

  Vector类中的方法(除构造方法)都是线程安全的,故在要求线程安全的场合下调用Vector类的下列方法,不需要考虑线程安全的问题,如:

  Java代码

  public synchronized void addObj2Vector(Object obj) {

  vector.addElement(obj);

  }

  或,

  Java代码

  public void addObj2Vector(Object obj) {

  synchronized {

  vector.addElement(obj);

  }

  }

  上面的代码主动为Vector对象添加了线程同步的约束语句来同步多线程环境,其实是多余的,只会降低系统性能,因为Vector对象本身就是线程安全的。修正上述代码:

  Java代码

  public void addObj2Vector(Object obj) {

  vector.addElement(obj);

  }

  在多线程环境下使用Vector类十分简洁、安全。但在某些场景中,线程并不需要写(更新)共享资源数据,而仅仅是读取、使用,此时开发人员就不需要考虑多线程的同步问题。

  同步方法的意义:

  防止多线程的运行环境里,两个或多个线程同时访问受保护的资源,而导致资源数据不完整,破坏数据资源,程序无法达到预期目的。

  · ArrayList

  ArrayList类中的方法是非线程安全的,尽管如此,在多线程环境下要求线程安全,也可以使用ArrayList等非线程安全的散列表核心类,可以通过下面的方法:

  Java代码

  List list = Collections.synchronizedList(new ArrayList());

  通过这个方法可将ArrayList标识为线程安全(thread-safe)的对象。

  在合适的场合,建议尽量使用ArrayList,而不建议使用Vector。

  与LinkedList比较:

  ArrayList是通过内部数组结构Object[]实现的,而LinkedList通过将一系列的内部记录连接在一起实现的。即ArrayList对象持有的数据是顺序存储,而LinkedList对象则是链式存储。

  String类

  String可以存储16位的Unicode字符序列及其长度,一旦被创建,这个字符串就是恒定不变。

  字符串累加

  下面的代码:

  Java代码

  String s = "first string";

  s = s + “second string”;

  类似于下面的代码:

  Java代码

  String s = "first string";

  StringBuffer tmp = new StringBuffer(s);

  tmp.append("second string");

  s = tmp.toString();

  以上代码的意思:将两个字符串串联后拷贝到一个临时字符串缓冲区变量中,如果这个被拷贝的字符串较长,那么这个拷贝操作就非常耗费资源。

  有2种方式可提高字符串累加的性能:

  1) 通过StringBuffer来构建一个字符串对象

  例:

  Java代码

  String s = "";

  for (int i = 1; i <= N; i++) {

  s = s + "*";

  }

  修改为:

  Java代码

  StringBuffer sb = new StringBuffer();

  for (int i = 1; i <= N; i++) {

  sb.append("*");

  }

  String s = sb.toString();

  2) 通过char[]数组

  先创建一个字符数组,然后向其中添加字符,达到累加的目的,返回最终生成的字符串。

  遍历字符

  若字符串特别长,又需要逐一获取字符串特定位置的字符,则通过调用toCharArray()转化为字符串数组,再由数组索引值获取指定位置的字符,而不是直接调用charAt(int index)。

  例:

  Java代码

  ...

  char[] ss = s.toCharArray();

  for (int i = 0; i < ss.length; i++) {

  char c = ss[i];

  ...

  }

  ...

  3. 系统I/O类

  Java中输入、输出流种类繁多,但按照它们所处理的数据流的类型可将其分为两类:二进制数据输入/输出流(处理二进制数据,),与字符数据输入/输出流(处理字符数据)。InputStream与OutputStream是用来处理二进制数据流的高层接口,Reader与Writer是用来处理字符数据的高层接口。

  Java中一般的输入与输出流类都是采用单字节的读取方法,进行数据I/O操作的,即每次只读取或写入一个字节的数据,这种方法显然烦琐低效。

  例:

  Java代码

  InputStream is = null;

  OutputStream os = null;

  try {

  is = new FileInputStream(fileFrom);

  os = new FileInputStream(fileTo);

  while (true) {

  int bytedata = is.read();

  if (bytedata == -1) {

  break;

  }

  os.write(bytedata);

  }

  } catch (Exception e) {

  ...

  } finally {

  if (is != null) {

  is.close();

  }

  if (os != null) {

  os.close();

  }

  }

  可修改上面的代码改用系统缓冲流类来提高I/O效率:

  Java代码

  InputStream is = null;

  OutputStream os = null;

  try {

  is = new BufferedInputStream(new FileInputStream(fileFrom));

  os = new BufferedInputStream(new FileInputStream(fileTo));

  while (true) {

  int bytedata = is.read();

  if (bytedata == -1) {

  break;

  }

  os.write(bytedata);

  }

  } catch (Exception e) {

  ...

  } finally {

  if (is != null) {

  is.close();

  }

  if (os != null) {

  os.close();

  }

  }

  2) 通过自定义缓冲区提高I/O操作效率

  例:

  Java代码

  InputStream is = null;

  OutputStream is = null;

  try {

  is = new FileInputStream(fileFrom);

  os = new FileInputStream(fileTo);

  byte[] totalBytes = new byte[is.available()];

  is.read(totalBytes);

  os.write(totalBytes);

  } catch (Exception e) {

  ...

  } finally {

  if (is != null) {

  is.close();

  }

  if (os != null) {

  os.close();

  }

  }

  不是数据缓冲越大,系统性能就越高,缓冲区的大小应该根据实际情况定义一个合理的值(最好是512的倍数,这样运算速度要快一些)。通常情况下需要权衡两个方面的因素:

  a) 读取与写入的文件的大小

  b) 应用运行的硬件环境的内存资源

  总之,得到下面的结论:

  · 采用默认的数据输入/输出方式(直接读取与写入)将导致系统性能下降

  · 采用系统数据缓冲流类读取与写入数据,将提升系统性能

  · 采用自定义合理缓冲区读取与写入数据,将更大程度地提升系统性能

  3) 通过压缩流提供I/O操作效率

  java.util.zip包存在ZipInputStream与ZipOutputStream,可通过它们实现压缩流的读取与写入。

  例:

  Java代码

  public void zip(String fileFrom, String fileTo) throws IOException {

  ZipOutputSream zos = new ZipOutputSream(new FileOutputStream(fileTo));

  zos.putNextEntry(new ZipEntry(fileTo));

  FileInputStream fis = new FileInputStream(fileFrom);

  byte[] buf = new byte[1024];

  int n;

  while ((n = fis.read(buf)) > -1) {

  zos.write(buf, 0, n);

  }

  buf = null;

  fis.close();

  fis = null;

  zos.flush();

  zos.closeEntry();

  zos.close();

  zos = null;

  }

  public void upzip(String fileFrom, String fileTo) throws IOException {

  ZipInputStream zis = new ZipInputStream(new FileInputStream(fileFrom));

  if (zis.getNextEntry() != null) {

  FileOutputStream fos = new FileOutputStream(fileTo);

  int n;

  byte[] buf = new byte[1024];

  while ((n = zis.read(buf)) > -1) {

  fos.write(buf, 0, n);

  }

  buf = null;

  fos.flush();

  fos.close();

  fos = null;

  }

  zis.closeEntry();

  zis.close();

  zis = null;

  }

  除了在文件读写方面可以采用压缩流提高系统性能外,在网络数据传输中也可以通过压缩流节省网络资源,提高传输效率。

  4) 通过非阻塞I/O优化应用性能

  JDK1.4中退出的java.nio(新输入/输出)软件包,NIO包设计更清晰、简单、高效,能帮助开发者在数据处理时取得更强的性能及更佳的扩展性。

  在NIO包中引入了四个关键的抽象数据类型,它们共同解决传统的I/O类中的一些问题。

  a) Buffer:包含数据且用于读写的线性表结构。其中还提供了一个特殊类用于内存映射文件的I/O操作

  b) Charset:提供Unicode字符串映射到字节序列以及逆映射的操作

  c) Channel:包含socket、file和pipe三种管道,它实际上是双向交流的通道

  d) Selector:它将多元异步I/O操作集中到一个或多个线程中(它可被看成UNIX中select()或Win32中WaitForSingleEvent()的面向对象版本)

  NIO API引入一种称为通道的新型原始I/O提取方法。通道表示到实体(如硬件设备、文件、网络套接字或可执行一个或多个诸如读写I/O操作的程序组件)的开放连接。通道可以处于打开或关闭状态,既是可异步关闭的,又是可中断的。

  有几个接口对Channel接口进行了扩展,每个接口指定一个新的I/O操作。以下是其中几个接口的信息:

  ReadableByteChannel指定一个将字节从通道读入缓冲器的read()

  WritableByteChannel指定一个将字节从通道写入缓冲器的write()

  ScatteringByteChannel和GatheringByteChannel分别扩展ReadableByteChannel和WritableByteChannel,采用缓冲器序列而非一个单独缓冲器增加read()和write()

  FileChannel支持从连接到文件的通道读取字节或向其写入字节,及查询和修改当前的文件位置和将文件调整为指定大小等常见操作

  使用FileChannel读写文件,例:

  Java代码

  public void copyFile(String fileFrom, String fileTo) throws IOException {

  FileInputStream inStream = new FileInputStream(fileFrom);

  FileOutputStream outStream = new FileOutputStream(fileTo);

  FileChannel inChannel = inStream.getChannel();

  FileChannel outChannel = outStream.getChannel();

  ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(512);

  while (true) {

  byteBuf.clear();

  int n = inChannel.read(byteBuf);

  if (n == 0 || n ==1) {

  break;

  }

  byteBuf.flip();

  outChannel.write(byteBuf);

  }

  byteBuf = null;

  inChannel.close();

  inChannel = null;

  outChannel.close();

  outChannel = null;

  inStream.close();

  inStream = null;

  outStream.close();

  outStream = null;

  }

  使用FileChannel读取文本文件内容,例:

  Java代码

  public void readFile(String file, String charset) throws IOException {

  FileInputStream inStream = new FileInputStream(file);

  FileChannel inChannel = inStream.getChannel();

  ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.allocate(512);

  String content;

  while (true) {

  byteBuf.clear();

  int n = inChannel.read(byteBuf);

  if (n == 0 || n == -1) {

  break;

  }

  byteBuf.flip();

  content = new String(byteBuf.array(), charset);

  System.out.print(content);

  }

  byteBuf = null;

  content = null;

  inChannel.close();

  inChannel = null;

  inStream.close();

  inStream = null;

  }

  非阻塞操作是NIO最常见与最广泛应用的功能。需要调用SelectableChannel中的configureBlocking()方法配置阻塞或非阻塞操作(在阻塞方式下调用读、写或其他操作,直到操作完成才能返回)。

  非阻塞I/O最为显著的性能优势包括:

  · 可以进行非阻塞异步输入/输出

  · 能锁定整个或部分文件

  在非阻塞方式下,SelectableChannel对象通过register()向Selector对象注册,然后签署特殊事件。在指定操作发生时,Selector对象就会发出通知。这些事件由SelectionKey的域反映。

  例:

  Java代码

  …

  InetSocketAddress addr = new InetSocketAddress(hostname, port);

  SocketChannel channel = SocketChannel.open();

  channel.configureBlocking(false);

  channel.connect(addr);

  …

  在connect()后,它将立即返回执行情况。然后,你必须指出如何处理这样的通道连接,这时有:

  Java代码

  …

  Selector selector = Selector.open();

  channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ);

  …

  在收到通知后,又有:

  Java代码

  …

  while (selector.select(500) > 0) {

  Set readyKeys = selector.selectedKeys();

  Iterator iterator = readyKeys.iterator();

  SelectionKey key;

  while (iterator.hasNext()) {

  key = iterator.next();

  iterator.remove();

  SocketChannel chan = (SocketChannel) key.channel();

  if (key.isConnectable()) {

  …

  } else if (key.isReadable()) {

  …

  }

  }

  }

  …