優(yōu)化Java中的多態(tài)代碼

Oracle的Java是一個(gè)門(mén)快速的語(yǔ)言，有時(shí)候它可以和C++一樣快。編寫(xiě)Java代碼時(shí)，我們通常使用接口、繼承或者包裝類（wrapper class）來(lái)實(shí)現(xiàn)多態(tài)，使軟件更加靈活。不幸的是，多態(tài)會(huì)引入更多的調(diào)用，讓Java的性能變得糟糕。部分問(wèn)題是，Java不建議使用完全的內(nèi)聯(lián)代碼，即使它是非常安全的。（這個(gè)問(wèn)題可能會(huì)在***的Java版本里得到緩解，請(qǐng)看文章后面的更新部分）

考慮下這種情況，我們要用接口抽象出一個(gè)整型數(shù)組：

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

你為什么要這樣做？可能是因?yàn)槟愕臄?shù)據(jù)是保存在數(shù)據(jù)庫(kù)里、網(wǎng)絡(luò)上、磁盤(pán)上或者在其他的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里。你想一次編碼后就不用關(guān)心數(shù)組的具體實(shí)現(xiàn)。

編寫(xiě)一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)Java數(shù)組一樣高效率的類并不難，不同之處在于它實(shí)現(xiàn)了這個(gè)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; 
    } 
} 

至少在理論上，NaiveArray類不會(huì)出現(xiàn)任何的性能問(wèn)題。這個(gè)類是final的，所有的方法都很簡(jiǎn)短。

不幸的是，在一個(gè)簡(jiǎn)單的benchmark類里，當(dāng)使用NavieArray作為數(shù)組實(shí)例時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)NavieArray比標(biāo)準(zhǔn)數(shù)組慢5倍以上。就像這個(gè)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; 
} 

你可以通過(guò)使用NavieArray作為NavieArray的一個(gè)實(shí)例來(lái)稍微減緩性能問(wèn)題（避免使用多態(tài)）。不幸的是，它依然會(huì)慢3倍多。而你僅是放棄了多態(tài)的好處。

那么，強(qiáng)制使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)調(diào)用會(huì)怎樣?

一個(gè)可行的解決方法是手動(dòng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)聯(lián)函數(shù)。你可以使用 instanceof 關(guān)鍵字來(lái)提供優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，否則你只會(huì)得到一個(gè)普通（更慢）的實(shí)現(xiàn)。例如，如果你使用下面的代碼，NavieArray就會(huì)變得和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)組一樣快：

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; 
     } 
     //... 
} 

當(dāng)然，我也會(huì)介紹一個(gè)維護(hù)問(wèn)題作為需要實(shí)現(xiàn)不止一次的同類算法…… 當(dāng)出現(xiàn)性能問(wèn)題時(shí)，這是一個(gè)可接受的替代。

和往常一樣，我的benchmarking代碼可以在網(wǎng)上獲取到。

總結(jié)

• 一些Java版本可能不完全支持頻繁的內(nèi)聯(lián)函數(shù)調(diào)用，即使它可以并且應(yīng)該支持。這會(huì)造成嚴(yán)重的性能問(wèn)題。
• 把類聲明為 final 看起來(lái)不會(huì)緩解性能問(wèn)題。
• 對(duì)于消耗大的函數(shù)，可行的解決方法是自己手動(dòng)優(yōu)化多態(tài)和實(shí)現(xiàn)內(nèi)聯(lián)函數(shù)調(diào)用。使用 instanceof 關(guān)鍵字，你可以為一些特定的類編寫(xiě)代碼并且（因此）保留多態(tài)的靈活性。

更新

Erich Schubert使用 double 數(shù)組運(yùn)行簡(jiǎn)單的benchmark類發(fā)現(xiàn)他的運(yùn)行結(jié)果與我的結(jié)果相矛盾，而且我們的變量實(shí)現(xiàn)都是一樣的。我通過(guò)更新到***版本的OpenJDK證明了他的結(jié)果。下面的表格給出了處理10百萬(wàn)整數(shù)需要的納秒時(shí)間：

正如我們看到的，***版本的OpenJDK十分智能，并且消除了多態(tài)的性能開(kāi)銷(xiāo)（1.8.0_40)。如果你足夠幸運(yùn)地在使用這個(gè)JDK，你不需要擔(dān)心這 篇文章所說(shuō)的性能問(wèn)題。但是，這個(gè)總體思想依然值得應(yīng)用在更復(fù)雜的場(chǎng)景里。例如，JDK優(yōu)化可能依然達(dá)不到你期待的性能要求。

原文鏈接： lemire 翻譯： ImportNew.com - 進(jìn)林

譯文鏈接： http://www.importnew.com/14393.html