JAVA. Przegląd metod

Transkrypt

1 Optymalizacja JAVA Przegląd metod

2 Istota problemu Programiści pozostawiają optymalizację swoich programów na koniec pracy mając często nadzieję na uniknięcie jej w ogóle. A przecież decyzje podejmowane we wczesnym etapie projektowania mają duży wpływ na wydajność programu. W związku z tym problemy wydajności powinny być brane pod uwagę już w momencie projektowania. Kolejne slajdy ukazują, w jaki sposób decyzje podjęte we wczesnym etapie projektowania mogą mieć znaczący wpływ na wydajność aplikacji.

3 Zasady projektowania Programy dobrze zbudowane Interfejsy klas Tworzenie obiektów klasy String Wykorzystanie RMI

4 Interfejsy klas unikanie nadmiernego tworzenia obiektów (problem pętli) Zmienne typu String są niezmienne (immutable) oznacza to, że jakakolwiek modyfikacja łańcucha prowadzi do utworzenia w pamięci nowego obiektu klasy String. Żeby zmodyfikować lub stworzyć nowy napis konieczne jest utworzenie nowego obiektu.

5 Obiekty tymczasowe Rozważmy następującą możliwą implementację metody getbounds(): public class Component { protected Rectangle mybounds; public Rectangle getbounds() { return mybounds; } } Rectangle r = component.getbounds(); r.height *= 2; Ze względu na dopuszczalne modyfikacje obiektu klasy Rectangle, referencja do obiektu związanego z położeniem komponentu może zostać zmodyfikowana bez wiedzy obiektu klasy Component.

6 Obiekty tymczasowe (2) public Rectangle getbounds() { return new Rectangle(myBounds.x, mybounds.y, mybounds.height, mybounds.width); } Każde odwołanie do getbounds() tworzy nowy obiekt

7 Rozwiązanie public int getx() {return mybounds.x; } public int gety() {return mybounds.y; } public int getheight() {return mybounds.height; } public int getwidth() {return mybounds.width; } Dodatkowe metody zwracające atomowe wartości zapewniają bardziej efektywny sposób uzyskania tych samych informacji. W wyniku tych modyfikacji pakietu Swing wiele operacji wykonuje się nawet dwa razy szybciej, co ma dość duże znaczenie.

8 Rozwiązanie (2) public Rectangle getbounds(rectangle returnval) { returnval.x = mybounds.x; returnval.y = mybounds.y; returnval.height = mybounds.height; returnval.width = mybounds.width; return returnval; } Metoda wywołująca getbounds() musi utworzyć obiekt typu Rectangle, ale można go potem wykorzystać ponownie do innych podobnych wywołań. Jeżeli chcemy uzyskać dostęp do informacji o każdym z kolekcji komponentów to możemy utworzyć pojedynczy obiekt klasy Rectangle i użyć go dla uzyskania informacji o każdym z komponentów.

9 Zdalne wywoływanie metod Kiedy uzyskujemy referencję do obiektu zdalnego poprzez serwer nazw, nie otrzymujemy właściwej referencji do tego obiektu, tylko referencję do obiektu tymczasowego (stub object), który implementuje ten sam interfejs, co obiekt zdalny. Kiedy wywołujemy metodę obiektu tymczasowego, parametry metody są łączone (marshall), następnie konwertowane na strumień bajtów (proces podobny do serializacji). Obiekt tymczasowy wysyła złączone parametry poprzez sieć do obiektu szkieletowego (skeleton object), który je rozdziela a następnie wywołuje właściwą zdalną metodę, którą chcieliśmy wywołać. Wyniki działania są przekazywane z powrotem do obiektu szkieletowego, który łączy wyniki, wysyła do obiektu tymczasowego, ten je rozdziela i zwraca wartość do obiektu wywołującego.

10 Porównanie zdalnego i lokalnego wywoływania metod Zdalne tworzenie obiektów jest dużo bardziej kosztowne niż lokalne, ponieważ oprócz niego tworzone są obiekty tymczasowy i szkieletowy. Ze zdalnym wywoływaniem metod wiąże się także duża ilość danych przesyłanych przez sieć. Opóźnienia związane z łączeniem, rozdzielaniem parametrów, opóźnienia powodowane przez sieć i koszty wywołania metod sumują się klient musi zaczekać dopóki wszystkie te kroki nie zostaną wykonane. Koszty zdalnego wywoływania zależą od szybkości wykorzystywanej sieci. Różne typy danych wiążą się z różnymi kosztami łączenia: wykorzystywanie typów podstawowych nie jest bardzo kosztowne. Natomiast korzystanie z obiektów odwołujących się do wielu obiektów (np. kolekcji) jest bardzo kosztowne.

11 Interfejs zdalnych obiektów Należy zwracać uwagę na niepotrzebną wymianę informacji pomiędzy zdalnymi systemami. Jeżeli program wywołujący potrzebuje otrzymać kilka wartości czy obiektów trzeba, jeśli to możliwe, dokonać tego w jednym zdalnym wywołaniu. Jeżeli program wywołujący nie potrzebuje przechowywać referencji do zdalnego obiektu metoda nie powinna jej zwracać. Analogicznie, jeżeli zdalna metoda nie potrzebuje kopii obiektu to, szczególnie w przypadku złożonych obiektów, nie należy ich używać jako parametrów metod.

12 Analiza miar Program obiektowy Narzędzia analizujące kod Generowanie metryk obiektowych Modyfikowanie projektu

13 JStyle Umożliwia między innymi analizę: poprawności nazewnictwa klas i interfejsów, oraz ich uporządkowania, stylu kodowania umożliwiającego ponowne wykorzystanie kodu, niepoprawnych sposobów obsługi wyjątków, nieefektywnego projektu programu, metryk zorientowanych obiektowo z uwzględnieniem specyfiki języka Java.

14 Miary projektu Number of Packages, Modules, Interfaces, Classes Reuse Ratio (Liczba nadklas) / (Całkowita liczba klas) Specialization Ratio (Liczba podklas) / (Liczba nadklas) Average Inheritance Depth (Suma głębokości wszystkich klas) / (Całkowita liczba klas)

15 Miary modułu Total Number of Lines Number of Comment Lines Number of Blank Lines Comment Density Number of Classes and Interfaces

16 Miary klas Fan-in (Liczba klas zależnych od danej klasy) Fan-out (Liczba klas używanych przez daną klasę) Response for Class (Miara podaje liczbę metod, wewnętrznych i zewnętrznych dostępnych w klasie) Miara spójności strukturalnej klasy (LCOM) liczba rozłącznych zbiorów metod, gdzie każde dwie metody w tym samym zbiorze korzystają z przynajmniej jednej lokalnej zmiennej instancyjnej. Miara o wartości 1 reprezentuje spójną klasę, podczas gdy całkowicie niespójna klasa miałaby wartość równą całkowitej liczbie metod w klasie.

17 Miary metod Number of Statements Number of Exceptions Thrown Cyclomatic Number (liczba linowo niezależnych ścieżek programu) Halstead Measures (Długość programu, Słownik programu, Objętość kodu, Poziom programu, Skala trudności programu, Przewidziane błędy)

18 Optymalizacja kodu źródłowego Poprawianie wydajności

19 Inicjalizacja klas i obiektów klas public class cls_init1 { static class Dane { private int dzien; private String nazwa; Data(int i, String s) { dzien = i; nazwa = s; } } Dane tydzien [] = { new Dane(1, "Poniedziałek"), new Dane(2, "Wtorek"), new Dane(3, "Środa"), new Dane(4, "Czwartek"), new Dane(5, "Piątek"), new Dane(6, "Sobota"), new Dane(7, "Niedziela") };

20 Inicjalizacja klas i obiektów klas (2) public class cls_init2 { static class Dane { private int dzien; private String nazwa; Dane(int i, String s) { dzien = i; nazwa = s; } } static Dane tydzien [] = { new Dane(1, "Poniedziałek"), new Dane(2, "Wtorek"), new Dane(3, "Środa"), new Dane(4, "Czwartek"), new Dane(5, "Piątek"), new Dane(6, "Sobota"), new Dane(7, "Niedziela") }; public static void main(string args[]) { final int N = ; cls_init2 x; Stoper t = new Stoper(); for (int i = 1; i <= N; i++) x = new cls_init2(); t.podaj_czas("dane zadeklarowane jako statyczne"); } }

21 Wstawianie metod public class meth_inline { public static int min(int a, int b) { return (a < b? a : b); } public static void main(string args[]) { final int N = ; int a = 5; int b = 17; int c; Stoper t = new Stoper(); for (int i = 1; i <= N; i++) c = (a < b? a : b); t.podaj_czas("wstawiony kod metody"); } }

22 Synchronizacja metod public class meth_sync { public void meth1() {} public synchronized void meth2() {} public static void main(string args[]) { final int N = ; meth_sync x = new meth_sync(); // metoda nie zsynchronizowana Stoper t = new Stoper(); for (int i = 1; i <= N; i++) x.meth1(); t.podaj_czas("metoda nie zsynchronizowana"); // metoda zsynchronizowana t.wyzeruj(); for (int i = 1; i <= N; i++) x.meth2(); t.podaj_czas("metoda zsynchronizowana"); } }

23 Porównanie czasów wywołań metod Jeśli metoda nie wykorzystuje zmiennych instancyjnych należy zadeklarować ją jako statyczną. Jeśli metoda nie musi być przykryta przez klasy, które ją dziedziczą należy zadeklarować ją jako finalną. Jeśli metoda nie będzie wywoływana spoza swojej klasy należy zadeklarować ją jako prywatną.

24 Zmienne Zmienne typu int oraz zmienne referencyjne to zmienne o najszybszym dostępie. Wartości typu int, boolean, byte, short oraz char przechowywane w zmiennych zajmują zawsze 32 bity i wykorzystują ten sam kod bitowy do odczytania i zapisania wartości. W tablicach natomiast zmienne typu boolean i byte przechowywane są jako 8-bitowe wartości, zmienne typu short i char jako 16-bitowe wartości, zmienne int i float jako 32-bitowe, natomiast long i double jako wartości 64-bitowe.

25 Zmienne typu String String str = testowy ; str = str + abc ; Zmienna str początkowo odnosi się do łańcucha testowy ale po wykonaniu drugiej instrukcji wskazuje już na nowy łańcuch składający się z połączenia str i abc. Wykorzystanie metody append() do tworzenia łańcuchów jest dużo bardziej wydajne niż zastosowanie operatora +.

26 Porównywanie stringów String s1 = abc ; String s2 = def ; To wynik porównania: s1 == s2 if (s1 == s2 s1.equals(s2))...

27 Uzyskiwanie długości zmiennych typu String // wywołanie metody length() int licznik = 0; Stoper t = new Stoper(); for (int i = 0; i < s.length(); i++) { if (s.charat(i) == 'x') licznik++; } t.podaj_czas("wywołanie metody length()"); // wyliczona długość łańcucha licznik = 0; t.wyzeruj(); for (int i = 0, dlugosc = s.length(); i < dlugosc; i++) { if (s.charat(i) == 'x') licznik++; } t.podaj_czas("wyliczona długość łańcucha");

28 Buforowanie // odczytywanie pojedynczych znaków FileInputStream fis = new FileInputStream(args[0]); int licznik = 0; int c; Stoper t = new Stoper(); while ((c = fis.read())!= -1) if (c == 'x') licznik++; t.podaj_czas("odczytywanie pojedynczych znaków"); fis.close(); // odczyt z buforowaniem fis = new FileInputStream(args[0]); byte buf[] = new byte[1024]; licznik = 0; int n; t.wyzeruj(); while ((n = fis.read(buf)) > 0) for (int i=0; i < n; i++) if (buf[i] == 'x') licznik++; t.podaj_czas("odczyt z buforowaniem"); fis.close();

29 Klasa ArrayList kontra klasa LinkedList W przypadku LinkedList czas wstawiania jest znacząco krótszy. Wynika to z tego, że wstawienie elementu na początek struktury ArrayList wymaga przesunięcia wszystkich elementów o jedno miejsce dalej, natomiast w przypadku LinkedList dodanie elementu jako pierwszego polega tylko na ustawieniu odpowiednich połączeń (referencji, wskaźników). ArrayList ma dużą przewagę jeżeli chcemy często odczytywać elementy losowo, struktura LinkedList, w przypadku losowego dostępu do jej elementów wymusza dużą ilość iteracji w celu odnalezienia właściwego.

30 Optymalizacja B-kodu. Kompilatory Just-In-Time. Optymalizacja adaptacyjna rozwiązuje problemy kompilatorów JIT wykorzystując fakt, że większość czasu wykonania programu dotyczy bardzo niewielkiego fragmentu kodu. Zamiast kompilować metoda po metodzie, kompilator Java HotSpot uruchamia program za pomocą interpretera i analizuje kod wyszukując tzw. gorące punkty (hot spots) krytyczne miejsca w kodzie programu, które zajmują bardzo dużo czasu wykonania. Dopiero wtedy kompiluje wyszukane fragmenty kodu.

31 Optymalizacja kodu wykonywalnego Profiler jest narzędziem wręcz niezbędnym do przeprowadzenia procesu optymalizacji. Pozwala na uzyskanie informacji o miejscach w programie, które powodują obniżenie wydajności, wykorzystują najwięcej czasu procesora, metodach, które są wywoływane najczęściej oraz o zużyciu pamięci. Pakiet JDK zawiera taki profiler, jest on dostępny po użyciu następującej opcji: C:\>java -Xrunhprof:[:help] [<option>=<value>,...] Przykład: java -Xrunhprof:cpu=samples,file=log.txt,depth=3 FooClass

32 Jprobe, OptimizeIt Runtime Heap Summary Instance Summary Garbage Monitor Heap Usage Chart Checkpoints (Request Garbage Collection, Current Values, Clear Current) Timing methods (Elapsed Time, CPU Time) Method Object Count, Number of Calls Heap Metrics

33 Przykład public class HuffmanCodec public HuffmanCodec(String filename) public int loadfile(string filename) public int code(string outfilename) public int decode(string outfilename) abstract class HuffmanTools static int power(int n1, int n2) static String addzeros(string bin) static int bin2dec(string bin) static String dec2hex(int dec) static String dec2bin(int dec) static void sortlist(arraylist listofelems, int[] chararray) static Node createtree(arraylist listofelems) static void searchtree(object root, String temp, String[] resultarray) static int findstring(string s, String[] a) static int codetofile(fileinputstream in, FileOutputStream out, String[] alphabet) abstract class HElem public int getvalue() public void setvalue(int newvalue) class Elem extends Helem public Elem(int newchr, int newvalue) public void setchr(int newchr) public int getchr() class Node extends Helem public Node(int newvalue)

34 Przykład (2) Number of Interfaces 0 1 Number of Static Methods 10 5 Cyclomatic Number 12 6 Program Effort

35 Przykład (3) Modyfikacja struktury klas Huffman v Classic JVM Huffman v czas w ykonania (ms)

36 Przykład (4) Użycie opcji kompilatora -O Huffman v Classic JVM Huffman v czas w ykonania (ms)

37 Przykład (5) Kompilator JIT Classic JVM Huffman v2.0 JVM HotSpot czas w ykonania (ms)

38 Przykład (6)

39 Przykład (7) Struktura danych HashMap 700 JVM HotSpot tablice czas w ykonania (ms)

40 Przykład (8) Metody klas Javy tobinarystring() 5500 JVM HotSpot dec2bin() czas w ykonania (ms)

41 Przykład (9) Operacje wejścia/wyjścia BufferedStream 1900 JVM HotSpot FileStream czas w ykonania (ms)

42 Przykład (10) Przetwarzanie łańcuchów char[] i SB 8600 JVM HotSpot String czas w ykonania (ms)

43 Przykład (11) Obliczanie długości łańcucha length() 7500 JVM HotSpot int czas w ykonania (ms)

44 Przykład (12) Procentowy wzrost wydajności po zastosowaniu modyfikacji Modyfikacja struktury klas z wykorzystaniem miar oprogramowania 20,49% Użycie opcji kompilatora -O 4,94% Użycie kompilatora Just-In-Time 81,25% Wykorzystanie struktury HashMap 90,27% Użycie metody tobinarystring() 9,83% Użycie klasy BufferedStream zamiast FileStream 65,45% Użycie StringBuffer i char[] do przetwarzania łańcuchów 5,49% Eliminacja wywołań metody length() w pętli 2,66% Inicjalizacja wielkości struktury HashMap 1,06% 0,00% 20,00% 40,00% 60,00% 80,00% 100,00% procent

45 Podsumowanie Bardzo ważne jest utworzenie poprawnego projektu, dobrze zbudowanego programu. Konieczna jest znajomość miar obiektowych. Następnym krokiem jest wykorzystanie odpowiedniego kompilatora. Projekt HotSpot firmy Sun ma ogromne znaczenie dla dalszego rozwoju języka Java.

46 Podsumowanie (2) Wykorzystanie profilera do wykrycia gorących punktów w programie pozwala analizować tylko te miejsca w programie, które naprawdę tego wymagają. Jeżeli zastosujemy odpowiednie, wydajniejsze mechanizmy i struktury języka Java to wynikiem może być tylko bardzo efektywny, poprawnie napisany program w języku Java. Bardzo ważny wniosek dotyczy kolejności kroków optymalizacji. Optymalizacja kodu źródłowego jest opłacalna tylko po wcześniejszym wykorzystaniu profilera. Modyfikacje kodu, nawet bardzo wydajne, wykonane w nieodpowiednich miejscach, nie przyniosą spodziewanych korzyści.

47 EJB Komponenty Enterprise JavaBeans 2.0 Interfejsy EJB encji i sesji Klienci odlegli i lokalni EJB sesji i encji EJB wiadomości Obsługa wyjątków Transakcje Zabezpieczenia

48 J2EE Architektura J2EE Struktura warstw......komponenty......kontenery.... Role w procesie tworzenia aplikacji J2EE Interfejsy programowania aplikacji (API) Transakcje, zabezpieczenia, usługi nazewnicze

49 Technologia JavaServlet Kontener servletów Zarządzanie pamięcią przez servlet Cykl życia servleta Wydajność i bezpieczeństwo servletów Zastosowania servletów (Servlet generujący fragmenty kodu HTML, Servlet generujący kod XML, Servlet generujący dane binarne, Servlet przetwarzający dane, Servlet współpracujący z apletem, Servlet jako proxy pomiędzy apletami, Łańcuch servletów, Servlet przekierowujący żądania, Servlet w mechanizmie autoryzacji klienta, Aplikacje WWW w technologii JavaServlet) Kierunki rozwoju technologii JavaServlet