Động lực học lập trình Java, Phần 8: Thay thế sự phản chiếu bằng việc tạo mã

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

101
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tạo mã thời gian chạy cung cấp một cách để thay thế sự phản chiếu bằng sự truy cập trực tiếp nhằm đạt hiệu năng tối đa Dennis Sosnoski, Nhà tư vấn, Sosnoski Software Solutions, Inc. Tóm tắt: Các phần trước trong loạt bài này, bạn đã tìm hiểu hiệu năng của sự phản chiếu chậm hơn nhiều lần so với truy cập trực tiếp như thế nào và sau đó đã học về hoạt động lớp (classworking) với Javassist và Apache Byte Code Engineering Library (BCEL-Thư viện kỹ thuật mã byte). Nhà tư vấn Java Dennis Sosnoski hoàn thành...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Động lực học lập trình Java, Phần 8: Thay thế sự phản chiếu bằng việc tạo mã

Động lực học lập trình Java, Phần 8: Thay thế sự phản chiếu bằng việc tạo mã Tạo mã thời gian chạy cung cấp một cách để thay thế sự phản chiếu bằng sự truy cập trực tiếp nhằm đạt hiệu năng tối đa Dennis Sosnoski, Nhà tư vấn, Sosnoski Software Solutions, Inc. Tóm tắt: Các phần trước trong loạt bài này, bạn đã tìm hiểu hiệu năng của sự phản chiếu chậm hơn nhiều lần so với truy cập trực tiếp như thế nào và sau đó đã học về hoạt động lớp (classworking) với Javassist và Apache Byte Code Engineering Library (BCEL-Thư viện kỹ thuật mã byte). Nhà tư vấn Java Dennis Sosnoski hoàn thành loạt bài Động lực học lập trình Java của mình bằng cách giải thích cách bạn có thể sử dụng hoạt động lớp trong thời gian chạy để thay thế mã phản chiếu bằng mã được tạo ra để lao hết tốc độ về phía trước. Bây giờ bạn đã thấy cách sử dụng các khung công tác Javassist và BCEL cho hoạt động lớp (xem liệt kê các bài viết trước trong loạt bài này), tôi sẽ cho bạn thấy một ứng dụng hoạt động lớp thực tế. Ứng dụng này đang thay thế việc sử dụng sự phản chiếu bằng các lớp được tạo trong thời gian chạy và được nạp trực tiếp vào JVM. Trong quá trình ráp nó lại với nhau, tôi sắp quay lại hai bài báo đầu tiên của loạt bài này cũng như trình bày Javassist và BCEL, vì thế nó tạo ra một sự kết thúc tốt đẹp cho những gì tạo thành một loạt các bài viết dài. Các mã phản chiếu theo hiệu năng Quay lại Phần 2, tôi đã cho thấy cách mã phản chiếu chậm hơn nhiều lần so với mã trực tiếp cho cả truy cập trường và cả các cuộc gọi phương thức. Sự chậm chạp này không phải là một vấn đề cho nhiều ứng dụng, nhưng luôn có các trường hợp ở đó hiệu năng rất quan trọng. Trong những trường hợp này, mã phản chiếu có thể biểu diễn một nút cổ chai thực. Mặc dù việc thay thế mã phản chiếu bằng mã được biên dịch tĩnh có thể rất lộn xộn và trong một số trường hợp (như trong các khung công tác ở đó các lớp hoặc các mục được mã phản chiếu truy cập được cung cấp trong thời gian chạy, chứ không phải là một phần của cùng một quá trình xây dựng) thậm chí không thể thực hiện được nếu không cấu trúc lại toàn bộ ứng dụng. Hoạt động lớp cung cấp cho bạn một sự thay thế kết hợp hiệu năng của mã được biên dịch tĩnh với tính linh hoạt của mã phản chiếu. Cách tiếp cận cơ bản ở đây là để xây dựng một lớp tùy chỉnh trong thời gian chạy để bao bọc việc truy cập tới các lớp đích (trước đó đã đạt được bằng mã phản chiếu ) theo một cách mà mã mục đích chung của bạn có thể sử dụng. Sau khi nạp các lớp tuỳ chỉnh vào JVM, rồi bạn thiết lập để chạy hết tốc độ.
Thiết lập tầng Liệt kê 1 đưa ra một điểm khởi đầu cho ứng dụng. Ở đây tôi đã xác định một lớp bean đơn giản, HolderBean và một lớp truy cập, ReflectAccess. Lớp truy cập có một đối số dòng lệnh. Đối số này phải có tên của một trong các thuộc tính của lớp bean có giá trị int (value1 hoặc value2). Nó tăng giá trị của thuộc tính có tên, rồi in ra cả hai giá trị thuộc tính trước khi thoát ra. Liệt kê 1.Phản chiếu một bean public class HolderBean { private int m_value1; private int m_value2; public int getValue1() { return m_value1; } public void setValue1(int value) { m_value1 = value; } public int getValue2() { return m_value2; }
public void setValue2(int value) { m_value2 = value; } } public class ReflectAccess { public void run(String[] args) throws Exception { if (args.length == 1 && args[0].length() > 0) { // create property name char lead = args[0].charAt(0); String pname = Character.toUpperCase(lead) + args[0].substring(1); // look up the get and set methods Method gmeth = HolderBean.class.getDeclaredMethod ("get" + pname, new Class[0]); Method smeth = HolderBean.class.getDeclaredMethod ("set" + pname, new Class[] { int.class }); // increment value using reflection HolderBean bean = new HolderBean();
Object start = gmeth.invoke(bean, null); int incr = ((Integer)start).intValue() + 1; smeth.invoke(bean, new Object[] {new Integer(incr)}); // print the ending values System.out.println("Result values " + bean.getValue1() + ", " + bean.getValue2()); } else { System.out.println("Usage: ReflectAccess value1|value2"); } } } Dưới đây là một cặp ví dụ chạy ReflectAccess để minh họa cho các kết quả: [dennis]$ java -cp . ReflectAccess value1 Result values 1, 0 [dennis]$ java -cp . ReflectAccess value2 Result values 0, 1
Đừng bỏ lỡ phần còn lại của loạt bài này Phần 1, "Các lớp Java và nạp lớp" (04.2003) Phần 2, "Giới thiệu sự phản chiếu" (06.2003) Phần 3, "Ứng dụng sự phản chiếu" (07.2003) Phần 4, "Chuyển đổi lớp bằng Javassist" (09.2003) Phần 5, "Việc chuyển các lớp đang hoạt động" (02.2004) Phần 6, "Các thay đổi hướng-khía cạnh với Javassist" (03.2004) Phần 7, "Kỹ thuật bytecode với BCEL" (04.2004) Xây dựng một lớp keo dán Bây giờ tôi đã giải thích phiên bản phản chiếu của mã này, tôi sẽ cho bạn thấy cách để thay thế một lớp được tạo để sử dụng sự phản chiếu. Có một vấn đề tế nhị liên quan đến việc làm cho sự thay thế này hoạt động đúng là quay lại chủ đề về hoạt động lớp trong Phần 1 của loạt bài này. Vấn đề là tôi sẽ tạo một lớp trong thời gian chạy mà tôi muốn truy cập từ mã được biên dịch tĩnh của lớp truy cập, nhưng do lớp được tạo không tồn tại với trình biên dịch, nên không có cách nào để tham chiếu nó trực tiếp. Vì vậy tôi có thể liên kết mã được biên dịch tĩnh với lớp đã tạo ra như thế nào? Giải pháp cơ bản là xác định một lớp hoặc giao diện cơ sở có thể được truy cập bằng mã được biên dịch tĩnh, sau đó mở rộng cho lớp cơ sở hoặc triển khai thực hiện giao diện đó trong lớp đã tạo ra. Mã được biên dịch tĩnh sau đó có thể thực hiện cuộc gọi trực tiếp tới các phương thức, dù các phương thức này trên thực tế không được triển khai thực hiện trong thời gian chạy. Trong Liệt kê 2, tôi đã định nghĩa một giao diện, IAccess, nhằm cung cấp liên kết này cho mã đã tạo ra. Giao diện này bao gồm ba phương thức. Phương thức đầu tiên chỉ thiết lập một đối tượng đích được truy cập. Hai phương thức khác là các ủy quyền cho các phương thức get (nhận) và set (thiết lập) dùng để truy cập giá trị thuộc tính int.
Liệt kê 2. Giao diện với lớp keo dán public interface IAccess { public void setTarget(Object target); public int getValue(); public void setValue(int value); } Ở đây mục đích là thực hiện giao diện IAccess được tạo ra sẽ cung cấp mã để gọi các phương thức get và set thích hợp của một lớp đích. Liệt kê 3 cho thấy một ví dụ về giao diện này có thể được triển khai thực hiện như thế nào, giả định rằng tôi muốn truy cập vào thuộc tính value1 của lớp HolderBean trong Liệt kê 1: Liệt kê 3.Thực hiện ví dụ lớp keo dán public class AccessValue1 implements IAccess { private HolderBean m_target; public void setTarget(Object target) {
m_target = (HolderBean)target; } public int getValue() { return m_target.getValue1(); } public void setValue(int value) { m_target.setValue1(value); } } Giao diện trong Liệt kê 2 được thiết kế để được sử dụng với một thuộc tính cụ thể của một kiểu đối tượng cụ thể. Giao diện này giữ cho mã thực hiện đơn giản -- luôn luôn là một lợi thế khi làm việc với bytecode -- nhưng có nghĩa là lớp thực hiện rất cụ thể. Ở đó sẽ cần phải có một lớp thực hiện riêng biệt cho từng kiểu đối tượng và thuộc tính mà tôi muốn truy cập thông qua giao diện này, nó hạn chế việc sử dụng cách tiếp cận này như là một sự thay thế chung cho sự phản chiếu. Hạn chế này không phải là một vấn đề miễn là bạn chỉ áp dụng kỹ thuật có chọn lọc trong các trường hợp ở đó hiệu năng phản chiếu thực sự là một nút cổ chai. Hỏi chuyên gia: Dennis Sosnoski về các vấn đề JVM và bytecode Đối với các ý kiến hay các câu hỏi về tài liệu được trình bày trong loạt bài này, cũng như bất cứ điều gì khác có liên quan đến Java bytecode, định dạng lớp nhị phân Java hoặc các vấn đề JVM chung, hãy truy cập vào diễn đàn thảo luận JVM và Bytecode, do Dennis Sosnoski kiểm soát. Tạo bằng Javassist Tạo lớp thực hiện cho giao diện IAccess của Liệt kê 2 với Javassist thật dễ dàng -- Tôi chỉ cần tạo một lớp mới để triển khai thực hiện giao diện đó, th êm vào một biến thành viên cho tài liệu tham khảo đối tượng đích và kết thúc bằng cách thêm một hàm tạo không có đối số và các phương thức thực hiện đơn giản. Liệt kê 4 sẽ
cho thấy đoạn mã Javassist để hoàn thành các bước này, được cấu trúc như là một cuộc gọi phương thức để lấy thông tin lớp đích và thông tin phương thức nhận/thiết lập và trả về sự biểu diễn nhị phân của lớp được xây dựng: Liệt kê 4. Xây dựng lớp keo dán Javassist /** Parameter types for call with no parameters. */ private static final CtClass[] NO_ARGS = {}; /** Parameter types for call with single int value. */ private static final CtClass[] INT_ARGS = { CtClass.intType }; protected byte[] createAccess(Class tclas, Method gmeth, Method smeth, String cname) throws Exception { // build generator for the new class String tname = tclas.getName(); ClassPool pool = ClassPool.getDefault(); CtClass clas = pool.makeClass(cname); clas.addInterface(pool.get("IAccess")); CtClass target = pool.get(tname); // add target object field to class
CtField field = new CtField(target, "m_target", clas); clas.addField(field); // add public default constructor method to class CtConstructor cons = new CtConstructor(NO_ARGS, clas); cons.setBody(";"); clas.addConstructor(cons); // add public setTarget method CtMethod meth = new CtMethod(CtClass.voidType, "setTarget", new CtClass[] { pool.get("java.lang.Object") }, clas); meth.setBody("m_target = (" + tclas.getName() + ")$1;"); clas.addMethod(meth); // add public getValue method meth = new CtMethod(CtClass.intType, "getValue", NO_ARGS, clas); meth.setBody("return m_target." + gmeth.getName() + "();"); clas.addMethod(meth); // add public setValue method meth = new CtMethod(CtClass.voidType, "setValue", INT_ARGS, clas); meth.setBody("m_target." + smeth.getName() + "($1);");
clas.addMethod(meth); // return binary representation of completed class return clas.toBytecode(); } Tôi sẽ không duyệt qua đoạn mã này một cách chi tiết bởi vì, nếu bạn đang theo dõi loạt bài này, thì hầu hết các hoạt động sẽ trông rất quen thuộc (và nếu bạn vẫn chưa theo kịp loạt bài này, ngay bây giờ hãy xem Phần 5 về một tổng quan làm việc với Javassist). Tạo bằng BCEL Tạo lớp thực hiện cho giao diện IAccess của Liệt kê 2 bằng BCEL không phải khá dễ dàng như với Javassist, nhưng nó vẫn không quá phức tạp. Liệt kê 5 đưa ra đoạn mã cho mục đích này. Mã này sử dụng cùng một chuỗi các hoạt động như mã Javassist của Liệt kê 4, nhưng chạy hơi lâu hơn một chút vì cần phải giải thích rõ ràng mỗi lệnh bytecode cho BCEL. Như với phiên bản Javassist, tôi sẽ bỏ qua các chi tiết thực hiện (quay lại Phần 7 để có một tổng quan về BCEL nếu có bất cứ điều gì chưa rõ). Liệt kê 5. Xây dựng lớp keo dán BCEL /** Parameter types for call with single int value. */ private static final Type[] INT_ARGS = { Type.INT }; /** Utility method for adding constructed method to class. */ private static void addMethod(MethodGen mgen, ClassGen cgen) {
mgen.setMaxStack(); mgen.setMaxLocals(); InstructionList ilist = mgen.getInstructionList(); Method method = mgen.getMethod(); ilist.dispose(); cgen.addMethod(method); } protected byte[] createAccess(Class tclas, java.lang.reflect.Method gmeth, java.lang.reflect.Method smeth, String cname) { // build generators for the new class String tname = tclas.getName(); ClassGen cgen = new ClassGen(cname, "java.lang.Object", cname + ".java", Constants.ACC_PUBLIC, new String[] { "IAccess" }); InstructionFactory ifact = new InstructionFactory(cgen); ConstantPoolGen pgen = cgen.getConstantPool(); //. add target object field to class FieldGen fgen = new FieldGen(Constants.ACC_PRIVATE,
new ObjectType(tname), "m_target", pgen); cgen.addField(fgen.getField()); int findex = pgen.addFieldref(cname, "m_target", Utility.getSignature(tname)); // create instruction list for default constructor InstructionList ilist = new InstructionList(); ilist.append(InstructionConstants.ALOAD_0); ilist.append(ifact.createInvoke("java.lang.Object", "", Type.VOID, Type.NO_ARGS, Constants.INVOKESPECIAL)); ilist.append(InstructionFactory.createReturn(Type .VOID)); // add public default constructor method to class MethodGen mgen = new MethodGen(Constants.ACC_PUBLIC, Type.VOID, Type.NO_ARGS, null, "", cname, ilist, pgen); addMethod(mgen, cgen); // create instruction list for setTarget method ilist = new InstructionList(); ilist.append(InstructionConstants.ALOAD_0); ilist.append(InstructionConstants.ALOAD_1); ilist.append(new CHECKCAST(pgen.addClass(tname)));
ilist.append(new PUTFIELD(findex)); ilist.append(InstructionConstants.RETURN); // add public setTarget method mgen = new MethodGen(Constants.ACC_PUBLIC, Type.VOID, new Type[] { Type.OBJECT }, null, "setTarget", cname, ilist, pgen); addMethod(mgen, cgen); // create instruction list for getValue method ilist = new InstructionList(); ilist.append(InstructionConstants.ALOAD_0); ilist.append(new GETFIELD(findex)); ilist.append(ifact.createInvoke(tname, gmeth.getName(), Type.INT, Type.NO_ARGS, Constants.INVOKEVIRTUAL)); ilist.append(InstructionConstants.IRETURN); // add public getValue method mgen = new MethodGen(Constants.ACC_PUBLIC, Type.INT, Type.NO_ARGS, null, "getValue", cname, ilist, pgen); addMethod(mgen, cgen);
// create instruction list for setValue method ilist = new InstructionList(); ilist.append(InstructionConstants.ALOAD_0); ilist.append(new GETFIELD(findex)); ilist.append(InstructionConstants.ILOAD_1); ilist.append(ifact.createInvoke(tname, smeth.getName(), Type.VOID, INT_ARGS, Constants.INVOKEVIRTUAL)); ilist.append(InstructionConstants.RETURN); // add public setValue method mgen = new MethodGen(Constants.ACC_PUBLIC, Type.VOID, INT_ARGS, null, "setValue", cname, ilist, pgen); addMethod(mgen, cgen); // return bytecode of completed class return cgen.getJavaClass().getBytes(); } Kiểm tra hiệu năng
Bây giờ tôi đã có mã cho cả hai phiên bản Javassist và BCEL về xây dựng phương thức, tôi có thể tiến hành thử nghiệm chúng để xem chúng sẽ làm việc tốt như thế nào. Vì lý do ban đầu của tôi về việc tạo mã trong thời gian chạy là để thay thế sự phản chiếu bằng một cái gì đó nhanh hơn, vì vậy sẽ thật tốt để có một sự so sánh hiệu năng để xem tôi đã thành công tốt như thế nào. Chỉ cần chú ý đến nó, tôi cũng sẽ xem xét thời gian cần thiết để xây dựng lớp keo dán với mỗi một trong cá c khung công tác. Liệt kê 6 thể hiện các phần chính của mã kiểm tra mà tôi sẽ sử dụng để kiểm tra hiệu năng. Phương thức runReflection() chạy phần phản chiếu của thử nghiệm, runAccess() chạy phần truy cập trực tiếp và run() kiểm soát toàn bộ quá trình (bao gồm cả in ra các kết quả tính thời gian). Cả hai runReflection() và runAccess() lấy số các vòng lặp được thực hiện làm một tham số, tham số này được chuyển lần lượt vào từ dòng lệnh (sử dụng mã không được hiển thị trong Liệt kê này, nhưng có chứa trong phần tải về). Lớp DirectLoader (ở cuối Liệt kê 6) chỉ cung cấp một cách dễ dàng để nạp các lớp được tạo ra. Liệt kê 6. Mã thử nghiệm hiệu năng /** Run timed loop using reflection for access to value. */ private int runReflection(int num, Method gmeth, Meth od smeth, Object obj) { int value = 0; try { Object[] gargs = new Object[0]; Object[] sargs = new Object[1]; for (int i = 0; i < num; i++) { // messy usage of Integer values required in loop
Object result = gmeth.invoke(obj, gargs); value = ((Integer)result).intValue() + 1; sargs[0] = new Integer(value); smeth.invoke(obj, sargs); } } catch (Exception ex) { ex.printStackTrace(System.err); System.exit(1); } return value; } /** Run timed loop using generated class for access to value. */ private int runAccess(int num, IAccess access, Object obj) { access.setTarget(obj); int value = 0; for (int i = 0; i < num; i++) { value = access.getValue() + 1; access.setValue(value); } return value;
} public void run(String name, int count) throws Exception { // get instance and access methods HolderBean bean = new HolderBean(); String pname = name; char lead = pname.charAt(0); pname = Character.toUpperCase(lead) + pname.substring(1); Method gmeth = null; Method smeth = null; try { gmeth = HolderBean.class.getDeclaredMethod("get" + pname, new Class[0]); smeth = HolderBean.class.getDeclaredMethod("set" + pname, new Class[] { int.class }); } catch (Exception ex) { System.err.println("No methods found for property " + pname); ex.printStackTrace(System.err); return; }
// create the access class as a byte array long base = System.currentTimeMillis(); String cname = "IAccess$impl_HolderBean_" + gmeth.getName() + "_" + smeth.getName(); byte[] bytes = createAccess(HolderBean.class, gmeth, smeth, cname); // load and construct an instance of the class Class clas = s_classLoader.load(cname, bytes); IAccess access = null; try { access = (IAccess)clas.newInstance(); } catch (IllegalAccessException ex) { ex.printStackTrace(System.err); System.exit(1); } catch (InstantiationException ex) { ex.printStackTrace(System.err); System.exit(1); } System.out.println("Generate and load time of " + (System.currentTimeMillis()-base) + " ms."); // run the timing comparison
long start = System.currentTimeMillis(); int result = runReflection(count, gmeth, smeth, bean); long time = System.currentTimeMillis() - start; System.out.println("Reflection took " + time + " ms. with result " + result + " (" + bean.getValue1() + ", " + bean.getValue2() + ")"); bean.setValue1(0); bean.setValue2(0); start = System.currentTimeMillis(); result = runAccess(count, access, bean); time = System.currentTimeMillis() - start; System.out.println("Generated took " + time + " ms. with result " + result + " (" + bean.getValue1() + ", " + bean.getValue2() + ")"); } /** Simple-minded loader for constructed classes. */ protected static class DirectLoader extends SecureClassLoader { protected DirectLoader() { super(TimeCalls.class.getClassLoader()); }
protected Class load(String name, byte[] data) { return super.defineClass(name, data, 0, data.length); } } Với một thử nghiệm tính thời gian đơn giản, tôi gọi phương thức run() hai lần, một lần cho một trong các thuộc tính trong lớp HolderBean của Liệt kê 1. Chạy qua hai lần thử nghiệm là quan trọng cho một thử nghiệm công bằng hợp lý -- lần vượt qua đầu tiên mã này sẽ nạp tất cả các lớp cần thiết, các lớp này thêm vào nhiều chi phí hoạt động cho cả hai quá trình tạo lớp Javassist và BCEL. Tuy vậy, chi phí hoạt động này không cần thiết trong lần vượt qua thứ hai, cung cấp cho bạn một sự đánh giá tốt hơn về việc tạo lớp sẽ yêu cầu kéo dài bao lâu khi được dùng trong một hệ thống thực. Đây là một ví dụ về kết quả được tạo ra khi thực hiện cuộc thử nghiệm này: [dennis]$$ java -cp .:bcel.jar BCELCalls 2000 Generate and load time of 409 ms. Reflection took 61 ms. with result 2000 (2000, 0) Generated took 2 ms. with result 2000 (2000, 0) Generate and load time of 1 ms. Reflection took 13 ms. with result 2000 (0, 2000) Generated took 2 ms. with result 2000 (0, 2000) Hình 1 cho thấy kết quả thử nghiệm tính thời gian này khi được gọi với số đếm vòng lặp nằm trong phạm vi từ 2K đến 512K (các thử nghiệm chạy tr ên một hệ thống Athlon 2200 XP + đang chạy Mandrake Linux 9.1, sử dụng JVM 1.4.2 của