Java优化编程笔记——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：

　　public synchronized void addObj2Vector(Object obj) {
　　　　vector.addElement(obj);
　　}

或，

　　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：

　　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：

　　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：

　　String s = "first string";
　　s = s + “second string”;

类似于下面的代码：

　　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：

　　String s = "";
　　for (int i = 1; i <= N; i++) {
　　　　s = s + "*";
　　}

　　修改为：

　　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：

　　...
　　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。

单字节读取/写入过程

1) 通过系统缓冲流类提高I/O操作效率

采用数据缓冲类读取/写入过程

例：

　　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：

　　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：

　　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：

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：

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：

　　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：

　　…
　　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：

　　…
　　Selector selector = Selector.open();
　　channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT | SelectionKey.OP_READ);
　　…

在收到通知后，又有：

　　…
　　while (selector.select(500) > 0) {
　　　　Set<SelectionKey> readyKeys = selector.selectedKeys();
　　　　Iterator<SelectionKey> 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()) {
　　　　　　　　…
　　　　　　}
　　　　}
　　}
　　…