Java实时性能

Question

我正在使用Java项目，它需要非常高级的图像操作。实际上，我使用OpenCV完成了大部分操作，并且使用JNI包装了我需要的OpenCV函数。我对OpenCV提供的性能非常满意，编写OpenCV代码的人应该为代码赢得极大的赞誉。这与我在Java开发人员编写的代码中的体验形成了鲜明对比。

我一开始对我的编程语言的选择持乐观态度，我的第一次工作迭代工作得很好，但它的性能远远谈不上实时(大约每2秒获得1帧)。我对我的代码做了一些优化，这对我有很大的帮助。我已经能够将帧速率提高到大约每秒10-20帧，这很好，但我发现要做进一步的优化，我必须重写Java代码来做同样的事情，但效率提高了10-20倍。

Java的开发人员很少关注性能，特别是在为Media相关的类编写类时，我对此感到震惊。我已经下载了OpenJDK，并且正在探索我正在使用的函数。例如，在栅格类下有一个名为getPixels(...)的函数它会得到图像的像素。我期望这个函数在源代码中是一个高度优化的函数，并对System.arrayCopy进行多次调用以进一步优化性能。相反，我发现的是非常“经典”的代码，他们调用5-6个不同的类和10-20个不同的方法，只是为了在一行中完成我能做的事情：

for (int i =0; i < n; i++) {
  long p = rawFrame[i];
  p = (p << 32) >>> 32;
  byte red = (byte) ((p >> 16) & 0xff);
  byte green = (byte) ((p >> 8) & 0xff);
  byte blue = (byte) ((p) & 0xff);
  byte val = (byte)(0.212671f * red + 0.715160f * green + 0.072169f * blue);
  data[i] = val;
  grayFrameData[i] = (val & 0x80) + (val & (0x7f)); 
}

上面的代码将图像转换为灰度，并在大约1-10ms内获得浮点像素数据。如果我想用Java内置函数做同样的事情，转换成灰度本身需要200-300ms，然后抓取浮点像素需要大约50-100ms。这对于实时性能来说是不可接受的。注为了获得加速，我大量使用了按位运算符，而Java开发人员则避免使用这些运算符。

我理解他们需要处理一般情况，但即便如此，他们至少不能给出优化的选项，或者至少警告这段代码可能执行得有多慢。

我的问题是，在开发的后期(我已经有了第一次迭代，而不是我正在进行第二次更实时的迭代)，我是应该咬紧牙关切换到C/C++，在那里我可以对事情进行更多的微调，还是应该坚持使用Java，希望事情会变得更加实时友好，这样我就不需要重写已经实现的Java代码来获得加速。

我真的开始对Java的“优雅”和缓慢感到厌恶了。类的数量似乎有点过头了。

Answer 1

我用Java做过计算机视觉的工作，我可能会因为这样说而被否决，但它对于计算机视觉和实时的东西是非常有用的，你只需要知道如何使用它。

潜在的优化：

如果您需要优化代码的帮助，我很乐意为您提供帮助--例如，我可以告诉您，通过创建一个方法，您可能会获得性能提升

`public static final int getGrayScale(final int pixelRGB){
    return (0.212671f * ((pixelRGB >> 16) & 0xff) + 0.715160f * ((pixelRGB >> 8) & 0xff) + 0.072169f * ((pixelRGB) & 0xff));
}`

并在您的for{像素}循环中使用它。通过使用方法调用，JVM可以更多地优化此操作，并且可能还可以更多地优化for循环。

如果要刻录RAM，则可以为所有可能的24位像素颜色创建输出灰度字节的静态最终查找表。这在RAM中大约为16MB，但这样您就不必进行任何浮点运算，只需进行一次数组访问。这可能会更快，这取决于您正在使用的JVM，以及它是否可以优化数组边界检查。

找到类似的、更快的图像处理代码的地方：

我强烈建议您查看ImageJ图像处理应用程序的代码(由于StackOverflow被延迟，无法链接)&它的库，特别是ij.process.TypeConverter。就像您的代码一样，它在很大程度上依赖于直接数组操作，只需少量的和最少的额外数组创建。Java2D库(标准JRE的一部分)和Java Advanced Imaging(JAI)库(由于StackOverflow被延迟而不能链接)提供了其他方法来快速地直接对图像数据进行图像处理，而不必每次都执行自己的操作。对于Java2D，您只需小心使用哪些函数即可。

为什么Java2D库如此间接：

大多数“类”是由于支持多种颜色模型和存储格式(即HSB图像、基于浮点的颜色模型、索引颜色模型)。这种间接性的存在是有原因的，有时实际上会提高性能--在最近的VM中，BufferedImage类(例如)直接挂接到图形内存中，以使某些操作速度更快。间接性让它在很多时候对用户屏蔽了这一点。

Answer 2

我的问题是，在开发的后期(我已经有了第一个迭代，而不是我正在进行第二个实时执行的迭代)，我是应该咬紧牙关切换到C/C++，在那里我可以对事情进行更多的微调，还是应该坚持使用Java语言，希望事情会变得更加实时友好，这样我就不需要重写已经实现的Java代码来获得加速。

你在问我该不该

切换到一种语言，在这种语言中，我可以使用

1. 来满足我的性能要求，并且希望事情有所改善。

可能还有其他选择...但是选项2看起来并不现实，你不能仅仅“希望”代码变得更快:p

有几点需要注意：

1. OpenJDK没有像Sun那样的性能，你有没有尝试过Sun？
2. 如果你需要的性能优化是在几种方法中完成的，那么重写它们并坚持使用Java...

可能是值得的

Answer 3

我的建议是，这取决于图像操作与整个项目相比有多重要，以及相对于java带来的任何好处。显然，如果需要，您可以用java编写快速代码(正如您所演示的那样)。但是，如果您的项目的80%将包含这样的优化，我肯定会重新考虑将Java作为这里的语言选择。

另一方面，如果这代表了应用程序的20%，另外80%是提供这种转换的用户功能，那么可能不得不做一些工作来完成操作，而不必处理自己的内存管理，并拥有java为用户交互提供的任何其他API (Web、Swing、SWT，无论您正在使用什么)。

由于垃圾收集器的存在，Java的实时能力并不为人所知。这也可能会咬到你，所以要小心。