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44條Java代碼優化建議

作者:五月的倉頡

來自:http://www.cnblogs.com/xrq730/p/4865416.html

前言

2016年3月修改,結合自己的工作和平時學習的體驗重新談一下為什麼要進行代碼優化。在修改之前,我的說法是這樣的:

就像鯨魚吃蝦米一樣,也許吃一個兩個蝦米對於鯨魚來說作用不大,但是吃的蝦米多了,鯨魚自然飽了。
代碼優化一樣,也許一個兩個的優化,對於提升代碼的運行效率意義不大,但是只要處處都能註意代碼優化,總體來說對於提升代碼的運行效率就很有用了。

這個觀點,在現在看來,是要進行代碼優化的一個原因,但不全對。在機械工藝發展的今天,服務器動輒8核、16核,64位CPU,代碼執行效率非常高,StringBuilder替換StringBuffer、ArrayList替換Vector,對於代碼運行效率的提升是微乎其微的,即使是專案中的每個點都註意到了,代碼運行也看不出什麼明顯的變化。

我認為,代碼優化的最重要的作用應該是:避免未知的錯誤。在代碼上線運行的過程中,往往會出現很多我們意想不到的錯誤,因為線上環境和開發環境是非常不同的,錯誤定位到最後往往是一個非常小的原因。然而為瞭解決這個錯誤,我們需要先自驗證、再打包出待替換的class檔案、暫停業務並重啟,對於一個成熟的專案而言,最後一條其實影響是非常大的,這意味著這段時間用戶無法訪問應用。因此,在寫代碼的時候,從源頭開始註意各種細節,權衡並使用最優的選擇,將會很大程度上避免出現未知的錯誤,從長遠看也極大的降低了工作量。

代碼優化的標的是:

  • 減小代碼的體積

  • 提高代碼運行的效率

本文的內容有些來自網絡,有些來自平時工作和學習,當然這不重要,重要的是這些代碼優化的細節是否真真正正地有用。那本文會保持長期更新,只要有遇到值得分享的代碼優化細節,就會不定時地更新此文。

代碼優化細節

(1)儘量指定類、方法的final修飾符

帶有final修飾符的類是不可派生的。在Java核心API中,有許多應用final的例子,例如java.lang.String,整個類都是final的。為類指定final修飾符可以讓類不可以被繼承,為方法指定final修飾符可以讓方法不可以被重寫。如果指定了一個類為final,則該類所有的方法都是final的。Java編譯器會尋找機會行內所有的final方法,行內對於提升Java運行效率作用重大,具體參見Java運行期優化。此舉能夠使性能平均提高50%。

(2)儘量重用物件

特別是String物件的使用,出現字串連接時應該使用StringBuilder/StringBuffer代替。由於Java虛擬機不僅要花時間生成物件,以後可能還需要花時間對這些物件進行垃圾回收和處理,因此,生成過多的物件將會給程式的性能帶來很大的影響。

(3)盡可能使用區域性變數

呼叫方法時傳遞的引數以及在呼叫中創建的臨時變數都儲存在棧中,速度較快,其他變數,如靜態變數、實體變數等,都在堆中創建,速度較慢。另外,棧中創建的變數,隨著方法的運行結束,這些內容就沒了,不需要額外的垃圾回收。

(4)及時關閉流

Java編程過程中,進行資料庫連接、I/O流操作時務必小心,在使用完畢後,及時關閉以釋放資源。因為對這些大物件的操作會造成系統大的開銷,稍有不慎,將會導致嚴重的後果。

(5)儘量減少對變數的重覆計算

明確一個概念,對方法的呼叫,即使方法中只有一句陳述句,也是有消耗的,包括創建棧幀、呼叫方法時保護現場、呼叫方法完畢時恢復現場等。所以例如下麵的操作:

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for (int i = 0; i < list.size(); i++)
{...}

建議替換為:

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2
for (int i = 0, length = list.size(); i < length; i++)
{...}

這樣,在list.size()很大的時候,就減少了很多的消耗

(6)儘量採用懶加載的策略,即在需要的時候才創建

例如:

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String str = "aaa";
if (i == 1)
{
  list.add(str);
}

建議替換為:

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5
if (i == 1)
{
  String str = "aaa";
  list.add(str);
}

(7)慎用異常

異常對性能不利。丟擲異常首先要創建一個新的物件,Throwable接口的建構式呼叫名為fillInStackTrace()的本地同步方法,fillInStackTrace()方法檢查堆棧,收集呼叫跟蹤信息。只要有異常被丟擲,Java虛擬機就必須調整呼叫堆棧,因為在處理過程中創建了一個新的物件。異常只能用於錯誤處理,不應該用來控製程式流程。

(8)不要在迴圈中使用try…catch…,應該把其放在最外層

根據網友們提出的意見,這一點我認為值得商榷

(9)如果能估計到待添加的內容長度,為底層以陣列方式實現的集合、工具類指定初始長度

比如ArrayList、LinkedLlist、StringBuilder、StringBuffer、HashMap、HashSet等等,以StringBuilder為例:

  • StringBuilder()      // 預設分配16個字符的空間

  • StringBuilder(int size)  // 預設分配size個字符的空間

  • StringBuilder(String str) // 預設分配16個字符+str.length()個字符空間

可以通過類(這裡指的不僅僅是上面的StringBuilder)的建構式來設定它的初始化容量,這樣可以明顯地提升性能。比如StringBuilder吧,length表示當前的StringBuilder能保持的字符數量。因為當StringBuilder達到最大容量的時候,它會將自身容量增加到當前的2倍再加2,無論何時只要StringBuilder達到它的最大容量,它就不得不創建一個新的字符陣列然後將舊的字符陣列內容拷貝到新字符陣列中—-這是十分耗費性能的一個操作。試想,如果能預估到字符陣列中大概要存放5000個字符而不指定長度,最接近5000的2次冪是4096,每次擴容加的2不管,那麼:

  • 在4096 的基礎上,再申請8194個大小的字符陣列,加起來相當於一次申請了12290個大小的字符陣列,如果一開始能指定5000個大小的字符陣列,就節省了一倍以上的空間

  • 把原來的4096個字符拷貝到新的的字符陣列中去

這樣,既浪費記憶體空間又降低代碼運行效率。所以,給底層以陣列實現的集合、工具類設置一個合理的初始化容量是錯不了的,這會帶來立竿見影的效果。但是,註意,像HashMap這種是以陣列+鏈表實現的集合,別把初始大小和你估計的大小設置得一樣,因為一個table上只連接一個物件的可能性幾乎為0。初始大小建議設置為2的N次冪,如果能估計到有2000個元素,設置成new HashMap(128)、new HashMap(256)都可以。

(10)當複製大量資料時,使用System.arraycopy()命令

(11)乘法和除法使用移位操作

例如:

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for (val = 0; val < 100000; val += 5)
{
  a = val * 8;
  b = val / 2;
}

用移位操作可以極大地提高性能,因為在計算機底層,對位的操作是最方便、最快的,因此建議修改為:

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for (val = 0; val < 100000; val += 5)
{
  a = val << 3;
  b = val >> 1;
}

移位操作雖然快,但是可能會使代碼不太好理解,因此最好加上相應的註釋。

(12)迴圈內不要不斷創建物件取用

例如:

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for (int i = 1; i <= count; i++)
{
    Object obj = new Object();   
}

這種做法會導致記憶體中有count份Object物件取用存在,count很大的話,就耗費記憶體了,建議為改為:

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Object obj = null;
for (int i = 0; i <= count; i++)
{
    obj = new Object();
}

這樣的話,記憶體中只有一份Object物件取用,每次new Object()的時候,Object物件取用指向不同的Object罷了,但是記憶體中只有一份,這樣就大大節省了記憶體空間了。

(13)基於效率和型別檢查的考慮,應該盡可能使用array,無法確定陣列大小時才使用ArrayList

(14)儘量使用HashMap、ArrayList、StringBuilder,除非執行緒安全需要,否則不推薦使用Hashtable、Vector、StringBuffer,後三者由於使用同步機制而導致了性能開銷

(15)不要將陣列宣告為public static final

因為這毫無意義,這樣只是定義了取用為static final,陣列的內容還是可以隨意改變的,將陣列宣告為public更是一個安全漏洞,這意味著這個陣列可以被外部類所改變

(16)儘量在合適的場合使用單例

使用單例可以減輕加載的負擔、縮短加載的時間、提高加載的效率,但並不是所有地方都適用於單例,簡單來說,單例主要適用於以下三個方面:

  • 控制資源的使用,通過執行緒同步來控制資源的併發訪問

  • 控制實體的產生,以達到節約資源的目的

  • 控制資料的共享,在不建立直接關聯的條件下,讓多個不相關的行程或執行緒之間實現通信

(17)儘量避免隨意使用靜態變數

要知道,當某個物件被定義為static的變數所取用,那麼gc通常是不會回收這個物件所占有的堆記憶體的,如:

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public class A
{
    private static B b = new B(); 
}

此時靜態變數b的生命周期與A類相同,如果A類不被卸載,那麼取用B指向的B物件會常駐記憶體,直到程式終止

(18)及時清除不再需要的會話

為了清除不再活動的會話,許多應用服務器都有預設的會話超時時間,一般為30分鐘。當應用服務器需要儲存更多的會話時,如果記憶體不足,那麼操作系統會把部分資料轉移到磁盤,應用服務器也可能根據MRU(最近最頻繁使用)演算法把部分不活躍的會話轉儲到磁盤,甚至可能丟擲記憶體不足的異常。如果會話要被轉儲到磁盤,那麼必須要先被序列化,在大規模集群中,對物件進行序列化的代價是很昂貴的。因此,當會話不再需要時,應當及時呼叫HttpSession的invalidate()方法清除會話。

(19)實現RandomAccess接口的集合比如ArrayList,應當使用最普通的for迴圈而不是foreach迴圈來遍歷

這是JDK推薦給用戶的。JDK API對於RandomAccess接口的解釋是:實現RandomAccess接口用來表明其支持快速隨機訪問,此接口的主要目的是允許一般的演算法更改其行為,從而將其應用到隨機或連續訪問串列時能提供良好的性能。實際經驗表明,實現RandomAccess接口的類實體,假如是隨機訪問的,使用普通for迴圈效率將高於使用foreach迴圈;反過來,如果是順序訪問的,則使用Iterator會效率更高。可以使用類似如下的代碼作判斷:

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if (list instanceof RandomAccess)
{
    for (int i = 0; i < list.size(); i++){}
}
else
{
    Iterator > iterator = list.iterable();
    while (iterator.hasNext()){iterator.next()}
}

foreach迴圈的底層實現原理就是迭代器Iterator,參見Java語法糖1:可變長度引數以及foreach迴圈原理。所以後半句”反過來,如果是順序訪問的,則使用Iterator會效率更高”的意思就是順序訪問的那些類實體,使用foreach迴圈去遍歷。

(20)使用同步代碼塊替代同步方法

這點在多執行緒模塊中的synchronized鎖方法塊一文中已經講得很清楚了,除非能確定一整個方法都是需要進行同步的,否則儘量使用同步代碼塊,避免對那些不需要進行同步的代碼也進行了同步,影響了代碼執行效率。

(21)將常量宣告為static final,並以大寫命名

這樣在編譯期間就可以把這些內容放入常量池中,避免運行期間計算生成常量的值。另外,將常量的名字以大寫命名也可以方便區分出常量與變數

(22)不要創建一些不使用的物件,不要匯入一些不使用的類

這毫無意義,如果代碼中出現”The value of the local variable i is not used”、”The import java.util is never used”,那麼請刪除這些無用的內容

(23)程式運行過程中避免使用反射

關於,請參見反射。反射是Java提供給用戶一個很強大的功能,功能強大往往意味著效率不高。不建議在程式運行過程中使用尤其是頻繁使用反射機制,特別是Method的invoke方法,如果確實有必要,一種建議性的做法是將那些需要通過反射加載的類在專案啟動的時候通過反射實體化出一個物件並放入記憶體—-用戶只關心和對端交互的時候獲取最快的響應速度,並不關心對端的專案啟動花多久時間。

(24)使用資料庫連接池和執行緒池

這兩個池都是用於重用物件的,前者可以避免頻繁地打開和關閉連接,後者可以避免頻繁地創建和銷毀執行緒

(25)使用帶緩衝的輸入輸出流進行IO操作

帶緩衝的輸入輸出流,即BufferedReader、BufferedWriter、BufferedInputStream、BufferedOutputStream,這可以極大地提升IO效率

(26)順序插入和隨機訪問比較多的場景使用ArrayList,元素刪除和中間插入比較多的場景使用LinkedList

這個,理解ArrayList和LinkedList的原理就知道了

(27)不要讓public方法中有太多的形參

public方法即對外提供的方法,如果給這些方法太多形參的話主要有兩點壞處:

  • 違反了面向物件的編程思想,Java講求一切都是物件,太多的形參,和麵向物件的編程思想並不契合

  • 引數太多勢必導致方法呼叫的出錯概率增加

至於這個”太多”指的是多少個,3、4個吧。比如我們用JDBC寫一個insertStudentInfo方法,有10個學生信息欄位要插如Student表中,可以把這10個引數封裝在一個物體類中,作為insert方法的形參

(28)字串變數和字串常量equals的時候將字串常量寫在前面

這是一個比較常見的小技巧了,如果有以下代碼:

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String str = "123";
if (str.equals("123"))
{
    ...
}

建議修改為:

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String str = "123";
if ("123".equals(str))
{
    ...
}

這麼做主要是可以避免空指標異常

(29)請知道,在java中if (i == 1)和if (1 == i)是沒有區別的,但從閱讀習慣上講,建議使用前者

平時有人問,”if (i == 1)”和”if (1== i)”有沒有區別,這就要從C/C++講起。

在C/C++中,”if (i == 1)”判斷條件成立,是以0與非0為基準的,0表示false,非0表示true,如果有這麼一段代碼:

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int i = 2;
if (i == 1)
{
    ...
}
else
{
    ...
}

C/C++判斷”i==1″不成立,所以以0表示,即false。但是如果:

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int i = 2;
if (i = 1)
{
    ...
}
else
{
    ...
}

萬一程式員一個不小心,把”if (i == 1)”寫成”if (i = 1)”,這樣就有問題了。在if之內將i賦值為1,if判斷裡面的內容非0,傳回的就是true了,但是明明i為2,比較的值是1,應該傳回的false。這種情況在C/C++的開發中是很可能發生的並且會導致一些難以理解的錯誤產生,所以,為了避免開發者在if陳述句中不正確的賦值操作,建議將if陳述句寫為:

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int i = 2;
if (1 == i)
{
    ...
}
else
{
    ...
}

這樣,即使開發者不小心寫成了”1 = i”,C/C++編譯器也可以第一時間檢查出來,因為我們可以對一個變數賦值i為1,但是不能對一個常量賦值1為i。

但是,在Java中,C/C++這種”if (i = 1)”的語法是不可能出現的,因為一旦寫了這種語法,Java就會編譯報錯”Type mismatch: cannot convert from int to boolean“。但是,儘管Java的”if (i == 1)”和”if (1 == i)”在語意上沒有任何區別,從閱讀習慣上講,建議使用前者會更好些。

(30)不要對陣列使用toString()方法

看一下對陣列使用toString()打印出來的是什麼:

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public static void main(String[] args)
{
    int[] is = new int[]{1, 2, 3};
    System.out.println(is.toString());
}

結果是:

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[I@18a992f

本意是想打印出陣列內容,卻有可能因為陣列取用is為空而導致空指標異常。不過雖然對陣列toString()沒有意義,但是對集合toString()是可以打印出集合裡面的內容的,因為集合的父類AbstractCollections重寫了Object的toString()方法。

(31)不要對超出範圍的基本資料型別做向下強制轉型

這絕不會得到想要的結果:

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public static void main(String[] args)
{
    long l = 12345678901234L;
    int i = (int)l;
    System.out.println(i);
}

我們可能期望得到其中的某幾位,但是結果卻是:

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1942892530

解釋一下。Java中long是8個位元組64位的,所以12345678901234在計算機中的表示應該是:

0000 0000 0000 0000 0000 1011 0011 1010 0111 0011 1100 1110 0010 1111 1111 0010

一個int型資料是4個位元組32位的,從低位取出上面這串二進制資料的前32位是:

0111 0011 1100 1110 0010 1111 1111 0010

這串二進製表示為十進制1942892530,所以就是我們上面的控制臺上輸出的內容。從這個例子上還能順便得到兩個結論:

1、整型預設的資料型別是int,long l = 12345678901234L,這個數字已經超出了int的範圍了,所以最後有一個L,表示這是一個long型數。順便,浮點型的預設型別是double,所以定義float的時候要寫成”"float f = 3.5f”

2、接下來再寫一句”int ii = l + i;”會報錯,因為long + int是一個long,不能賦值給int

(32)公用的集合類中不使用的資料一定要及時remove掉

如果一個集合類是公用的(也就是說不是方法裡面的屬性),那麼這個集合裡面的元素是不會自動釋放的,因為始終有取用指向它們。所以,如果公用集合裡面的某些資料不使用而不去remove掉它們,那麼將會造成這個公用集合不斷增大,使得系統有記憶體泄露的隱患。

(33)把一個基本資料型別轉為字串,基本資料型別.toString()是最快的方式、String.valueOf(資料)次之、資料+”"最慢

把一個基本資料型別轉為一般有三種方式,我有一個Integer型資料i,可以使用i.toString()、String.valueOf(i)、i+”"三種方式,三種方式的效率如何,看一個測試:

public static void main(String[] args)
{
   int loopTime = 50000;
   Integer i = 0;
   long startTime = System.currentTimeMillis();
   for (int j = 0; j < loopTime; j++)
   {
       String str = String.valueOf(i);
   }    
   System.out.println("String.valueOf():" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
   startTime = System.currentTimeMillis();
   for (int j = 0; j < loopTime; j++)
   {
       String str = i.toString();
   }    
   System.out.println("Integer.toString():" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
   startTime = System.currentTimeMillis();
   for (int j = 0; j < loopTime; j++)
   {
       String str = i + "";
   }    
   System.out.println("i + "":" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "ms");
}

運行結果為:

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String.valueOf():11ms
Integer.toString():5ms
i + "":25ms

所以以後遇到把一個基本資料型別轉為String的時候,優先考慮使用toString()方法。至於為什麼,很簡單:

  • String.valueOf()方法底層呼叫了Integer.toString()方法,但是會在呼叫前做空判斷

  • Integer.toString()方法就不說了,直接呼叫了

  • i + “”底層使用了StringBuilder實現,先用append方法拼接,再用toString()方法獲取字串

三者對比下來,明顯是2最快、1次之、3最慢

(34)使用最有效率的方式去遍歷Map

遍歷Map的方式有很多,通常場景下我們需要的是遍歷Map中的Key和Value,那麼推薦使用的、效率最高的方式是:

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public static void main(String[] args)
{
    HashMap hm = new HashMap();
    hm.put("111", "222");
         
    Set> entrySet = hm.entrySet();
    Iterator> iter = entrySet.iterator();
    while (iter.hasNext())
    {
        Map.Entry entry = iter.next();
        System.out.println(entry.getKey() + " " + entry.getValue());
    }
}

如果你只是想遍歷一下這個Map的key值,那用”Set keySet = hm.keySet();”會比較合適一些

(35)對資源的close()建議分開操作

意思是,比如我有這麼一段代碼:

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try
{
    XXX.close();
    YYY.close();
}
catch (Exception e)
{
    ...
}

建議修改為:

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try
{
    XXX.close();
}
catch (Exception e)
{
    ...
}
try
{
    YYY.close();
}
catch (Exception e)
{
    ...
}

雖然有些麻煩,卻能避免資源泄露。我們想,如果沒有修改過的代碼,萬一XXX.close()拋異常了,那麼就進入了catch塊中了,YYY.close()不會執行,YYY這塊資源就不會回收了,一直占用著,這樣的代碼一多,是可能引起資源句柄泄露的。而改為下麵的寫法之後,就保證了無論如何XXX和YYY都會被close掉

(36)對於ThreadLocal使用前或者使用後一定要先remove

當前基本所有的專案都使用了執行緒池技術,這非常好,可以動態配置執行緒數、可以重用執行緒。

然而,如果你在專案中使用到了ThreadLocal,一定要記得使用前或者使用後remove一下。這是因為上面提到了執行緒池技術做的是一個執行緒重用,這意味著代碼運行過程中,一條執行緒使用完畢,並不會被銷毀而是等待下一次的使用。我們看一下Thread類中,持有ThreadLocal.ThreadLocalMap的取用:

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/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
 * by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

執行緒不銷毀意味著上條執行緒set的ThreadLocal.ThreadLocalMap中的資料依然存在,那麼在下一條執行緒重用這個Thread的時候,很可能get到的是上條執行緒set的資料而不是自己想要的內容。

這個問題非常隱晦,一旦出現這個原因導致的錯誤,沒有相關經驗或者沒有扎實的基礎非常難發現這個問題,因此在寫代碼的時候就要註意這一點,這將給你後續減少很多的工作量。

(37)切記以常量定義的方式替代魔鬼數字,魔鬼數字的存在將極大地降低代碼可讀性,字串常量是否使用常量定義可以視情況而定

(38)long或者Long初始賦值時,使用大寫的L而不是小寫的l,因為字母l極易與數字1混淆,這個點非常細節,值得註意

(39)所有重寫的方法必須保留@Override註解

這麼做有三個原因:

(1)清楚地可以知道這個方法由父類繼承而來

(2)getObject()和get0bject()方法,前者第四個字母是”O”,後者第四個子母是”0″,加了@Override註解可以馬上判斷是否重寫成功

(3)在抽象類中對方法簽名進行修改,實現類會馬上報出編譯錯誤

(40)推薦使用JDK7中新引入的Objects工具類來進行物件的equals比較,直接a.equals(b),有空指標異常的風險

(41)迴圈體內不要使用”+”進行字串拼接,而直接使用StringBuilder不斷append

說一下不使用”+”進行字串拼接的原因,假如我有一個方法:

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public String appendStr(String oriStr, String... appendStrs) {
    if (appendStrs == null || appendStrs.length == 0) {
        return oriStr;
    }
         
    for (String appendStr : appendStrs) {
        oriStr += appendStr;
    }
         
    return oriStr;
}

將這段代碼編譯之後的.class檔案,使用javap -c進行反編譯一下,截取關鍵的一部分:

意思就是每次虛擬機碰到”+”這個運算子對字串進行拼接的時候,會new出一個StringBuilder,然後呼叫append方法,最後呼叫toString()方法轉換字串賦值給oriStr物件,即迴圈多少次,就會new出多少個StringBuilder()來,這對於記憶體是一種浪費。

(42)不捕獲Java類庫中定義的繼承自RuntimeException的運行時異常類

異常處理效率低,RuntimeException的運行時異常類,其中絕大多數完全可以由程式員來規避,比如:

  • ArithmeticException可以通過判斷除數是否為空來規避

  • NullPointerException可以通過判斷物件是否為空來規避

  • IndexOutOfBoundsException可以通過判斷陣列/字串長度來規避

  • ClassCastException可以通過instanceof關鍵字來規避

  • ConcurrentModificationException可以使用迭代器來規避

(43)避免Random實體被多執行緒使用,雖然共享該實體是執行緒安全的,但會因競爭同一seed 導致的性能下降,JDK7之後,可以使用ThreadLocalRandom來獲取隨機數

解釋一下競爭同一個seed導致性能下降的原因,比如,看一下Random類的nextInt()方法實現:

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1 public int nextInt() {
2     return next(32);
3 }

呼叫了next(int bits)方法,這是一個受保護的方法:

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1 protected int next(int bits) {
2     long oldseed, nextseed;
3     AtomicLong seed = this.seed;
4     do {
5         oldseed = seed.get();
6         nextseed = (oldseed * multiplier + addend) & mask;
7     } while (!seed.compareAndSet(oldseed, nextseed));
8     return (int)(nextseed >>> (48 - bits));
9 }

而這邊的seed是一個全域性變數:

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1 /**
2  * The internal state associated with this pseudorandom number generator.
3  * (The specs for the methods in this class describe the ongoing
4  * computation of this value.)
5  */
6 private final AtomicLong seed;

多個執行緒同時獲取隨機數的時候,會競爭同一個seed,導致了效率的降低。

(44)靜態類、單例類、工廠類將它們的建構式置為private

這是因為靜態類、單例類、工廠類這種類本來我們就不需要外部將它們new出來,將建構式置為private之後,保證了這些類不會產生實體物件。

後記

優秀的代碼來自每一點點小小的優化,關註每一個細節,不僅僅能提升程式運行效率,同樣可以規避許多未知的問題。


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