Что такое оптимизация кода — Журнал «Код»
Мы тут разбираемся в важных понятиях большой разработки:
Что такое легаси
Зачем нужен рефакторинг
Что такое технический долг
Чтобы закрыть тему, поговорим об оптимизации.
Что такое оптимизация
Оптимизация кода — это когда программист берёт код из уже готовой и работающей программы и пытается его улучшить для какой-то цели.
Что пытаются улучшить:
- скорость работы,
- скорость загрузки,
- скорость ответа сервера,
- стабильность,
- объём кода.
Каждый из вариантов оптимизации отличается по исполнению, поэтому обычно выбирают что-то одно, самое важное: скорость, безопасность или стабильность. Потом следующими итерациями чинят всё остальное.
Иногда может получиться так, что в процессе оптимизации часть кода переписывается на другом языке или добавляется новый фреймворк. Со временем это может привести к тому, что программа может полностью перейти на другую библиотеку или сменить язык программирования.
Оптимизация скорости работы
Самая частая оптимизация кода — повышение скорости работы.
Например, при разработке программ для видеомонтажа важно, чтобы пользователь сразу увидел результат работы цветокоррекции. Если программа каждый раз будет надолго задумываться, а при этом где-то рядом будет более шустрый софт, со временем люди перейдут на него, а компания потеряет деньги. Чтобы этого не произошло, программисту дают задание ускорить обработку фильтра.
Примеры того, как можно добиться ускорения:
- Написать функции, которые будут предугадывать действия пользователя и заранее просчитывать некоторые ситуации.
- Научить программу на какое-то время забирать себе все ресурсы компьютера. Остальным программам плохо, зато эта работает быстро.
- Заменить короткие, но сложные команды фреймворка на много длинных, но более простых для компилятора, которые в сумме выполняются быстрее.
- Написать лукап-таблицы: например, если алгоритму нужно сто тысяч раз посчитать значение синуса sin(x) с заранее известным шагом, то можно сразу написать таблицу всех нужных значений.
Тогда алгоритм будет не считать синус с нуля, а заглядывать в табличку и быстро там всё находить. - Вставить код на ассемблере, чтобы выполнить его в процессоре напрямую, без компилятора высокого уровня — так программа будет работать намного быстрее.
Тогда алгоритм будет не считать синус с нуля, а заглядывать в табличку и быстро там всё находить.Оптимизация скорости загрузки
Это похоже на предыдущий пункт, но с одним отличием: чаще всего увеличивают видимую пользователю скорость загрузки программы, а не полноценную загрузку всего.
Этим приёмом часто пользуется компания Apple: они делают свои программы так, чтобы пользователь видел интерфейс практически сразу после запуска, но реально работать с программой можно лишь через 1–2 секунды. Дело в том, что на первое место ставится скорость отрисовки и загрузки интерфейса, а остальные модули программы загружаются на фоне, и на это тоже нужно время. Зато выглядит всё так, как будто программа запустилась моментально.
Почему процессоры Apple M1 такие быстрые
Вторая ситуация — когда действительно увеличивается скорость загрузки всей программы.
Для этого разработчики используют аппаратные возможности железа, и выносят часть функций в отдельные модули. Если они понадобятся — программа их загрузит, а если нет, то и не нужно тратить на это время при запуске.
Оптимизация скорости ответа
Такой оптимизацией занимаются в высоконагруженных системах: базах данных, серверах и системах управления. В них важно как можно быстрее ответить на запрос, поэтому тут оптимизируют работу с сетевыми протоколами, форматами хранения для быстрого доступа к данным и параллельным вычислениям.
При этом такие программы могут загружаться по 20–30 секунд или даже несколько минут. Никто не ждёт от них моментальной загрузки, а вот моментальная реакция на запросы — нужна.
Оптимизация для стабильности и отказоустойчивости
Если мы пишем код для больницы, в котором в реальном времени обрабатываем жизненные показатели всех пациентов, то нам важно такое:
- программа не должна зависать из-за неправильно введённых данных;
- программа должна работать, даже если сервер не отвечает или сломались датчики;
- программа не должна падать под нагрузкой.
Короче: программу должно быть очень сложно сломать.
Это значит, что нам нужно сконцентрироваться на обработке исключений, проверках введённых значений, двойных запросах для гарантированного получения точных данных. Если такая программа падает, когда отваливается одна из баз данных, — её точно нужно оптимизировать.
Оптимизация для уменьшения объёма кода
Программы работают не только на компьютерах — ещё есть брелоки, сигнализации, умные чайники, системы контроля доступа, часы, автомобили и так далее. Внутрь этих устройств поставить жёсткий диск сложно, поэтому все программы хранятся внутри микроконтроллеров. Размер памяти там ограничен.
Или другая ситуация: у нас есть код программы для одной версии умных часов, а нам нужно эти же функции перенести на другие часы, где контроллер попроще и памяти поменьше.
В этих случаях разработчики идут на разные хитрости: применяют упаковку кода, чтобы он распаковался в оперативной памяти в момент выполнения; или упрощают код, делая его менее стабильным или отказоустойчивым, зато более компактным.
Ещё могут использовать недокументированные возможности железа, чтобы расширить место для хранения программы или её компонентов. Например, в старом телефоне могут положить часть модулей программы в область памяти, где хранятся мелодии звонков. Мелодии занимают мало места, и часть остаётся свободной — в этом случае модуль маскируется под мелодию и отправляется туда.
Что дальше
Теперь мы полностью готовы работать над своим старым кодом: поддерживать легаси, делать рефакторинг и оптимизировать разные функции. Сделаем всё по очереди, но уже в другой раз.
Оптимизация программного кода | Techrocks
Зачем же нужна оптимизация и откуда она взялась? С первых дней развития эры вычислительной техники возник вопрос экономии места и увеличения производительности программ. Программистам приходилось создавать сложные дееспособные программы, которые смогли бы работать при очень низком быстродействии процессоров, использовать считанные килобайты оперативной памяти и места на диске.
Поэтому все разработчики ПО были заинтересованы в максимальном быстродействии при минимальном размере кода.
Сегодня эти мощности вызывают улыбку. Но традиции оптимизации кода сохранились. Как известно, сколько ни наращивай размер диска и объем ОЗУ, все равно будет мало. Потому написанные «неряшливо» приложения, медленные и ресурсоемкие, проигрывают конкурентную борьбу аналогам, даже если они красивы и удобны.
Особо жесткие требования касаются драйверов и системных утилит. Они должны работать быстро, корректно и максимально экономить ресурсы компьютера. То есть взаимодействие процессора с периферией должно происходить без лишних затрат времени, с высокой скоростью передачи данных между устройствами. И сейчас мы решили немного разобраться, какие бывают способы оптимизировать программный код, в чем их плюсы и минусы.
Основные принципы оптимизацииОптимизация стоит на трех «китах» — естественность, производительность, затраченное время. Давайте разберемся подробнее, что они означают.
- Естественность. Код должен быть аккуратным, модульным и легко читабельным. Каждый модуль должен естественно встраиваться в программу. Код должен легко поддаваться редактированию, интегрированию или удалению отдельных функций или возможности без необходимости вносить серьезные изменения в другие части программы.
- Производительность. В результате оптимизации вы должны получить прирост производительности программного продукта. Как правило, удачно оптимизированная программа увеличивает быстродействие минимум на 20-30% в сравнение с исходным вариантом.
- Время. Оптимизация и последующая отладка должны занимать небольшой период времени. Оптимальными считаются сроки, не превышающие 10 – 15 % времени, затраченного на написание самого программного продукта. Иначе это будет нерентабельно.
Полезный совет. Перед началом оптимизации программного кода не забудьте сохранить копию исходного кода. Тогда в случае ошибки при внесении изменений всегда можно будет откатится до рабочей версии.
Многие разработчики искренне считают, что критические секции (некоторые называют их «узкими» местами программы) кода удобнее писать на ассемблере, так как он обеспечивает самый быстрый доступ к данным и устройствам.
Многочисленные сравнения результатов оптимизации кода на языке высокого уровня и применения ассемблерных вставок показывают, что в первом случае после компиляции программа будет работать чуть медленнее, чем при использовании ассемблера. Обычно эти цифры измеряются от 2% до 7%. Максимум – разница составляет 20%. Стоит ли ради получения столь малого эффекта тратить время и силы на написание ассемблерной версии? На наш взгляд лучше уделить больше внимания работе с кодом, который написан на ЯП высокого уровня, и оптимизировать работу алгоритма.
Как правильно оптимизироватьТеперь давайте разберемся, как проводится оптимизация, и разберемся, с чего начинать, чего лучше избегать, и когда без ассемблера не обойтись.
Первое, что необходимо сделать, это выявить «узкие места» программы. Нет смысла трогать тот кусок программы, где и без вас все работает прекрасно. Здесь вы вряд ли что-то выиграете при оптимизации. В первую очередь, стоит обратить внимание на блоки кода, которые регулярно или часто повторяются в процессе работы – циклы и подпрограммы.
Пример: Если оптимизировать работу цикла хотя бы на 2% за одну итерацию, а число его повторов будет 1000 раз, в итоге мы получаем: 2% × 1000 = 2000%, вполне ощутимый результат при работе кода.
Участки кода, которые не оптимизируютсяНе стоит трогать единичные операнды, поскольку работают они крайне редко и толку в их модификации нет никакого. Они отработают один раз, и больше к этому коду обращений не будет. Но при условии, что при внесении изменений вы добьетесь увеличения производительности более чем на 10%, это не лишено смысла. Здесь все зависит от вашего здравого смысла и опыта.
Также вы не сумеете добиться достойных результатов в случае обращения к внешним устройствам и другим программным системам. До и после таких фрагментов можно что-то ускорить. Но там, где задержка может возникать по причине взаимодействия с внешними данными, лучше предусмотрите заглушку типа «Подождите, операция может занять несколько минут».
Еще раз об ассемблереПомните, что использовать ЯП низкого уровня нужно только там, где это действительно необходимо. Нет никакой причины вставлять его где ни попадя, это никак не повлияет на производительность. Впрочем, если вы – асс ассемблера и можете писать на нем также быстро, как и на удобном языке высокого уровня, можете пользоваться им активно. Правда, тогда возникает другой нюанс – вы усложняете читабельность кода для программистов, которые будут заниматься проектом после вас.
Оптимизировать или нет?Если вы не уверены, что сможете ускорить работу программы, при этом тестирование не выявляет никаких критичных проблем, оставьте все как есть.
Помните старую мудрость программистов: работает – не мешай.
Иначе вы можете потратить лишнее время на работу с кодом, а в результате сделаете даже хуже, программа начнет работать медленно, да и от багов никто не застрахован.
Заниматься оптимизацией следует только тогда, когда на программу поступают жалобы пользователей либо на этапе тестирования находятся проблемные участки, на которых программа «подвисает» и тормозит работу устройства. В таких случаях производится отладка, а для уже выпущенных в серию продуктов выпускают новые версии или, так называемые, «заплатки» (patch).
Методы оптимизации программОптимизация кода не слишком отличается от обычного исправления багов. Более того, с их устранения и начинается работа по оптимизации программы.
Первым делом нужно проверить код на наличие устаревших или вообще ненужных фрагментов. Таких исполняемых модулей или веток в большой программе находится обычно много. Что-то написали, но оказалось, что функционал не нужен, и его просто забыли удалить.
Другие части оказались не нужны в результате очередного обновления. Все они занимают место. А некоторые продолжают исполняться, хоть в этом нет никакого смысла. И, таким образом, замедляют работу системы.
Пишите аккуратный код. Не забывайте о комментариях. Так вы поможете и себе, и другим разработчикам, понять, что в программе нужно, а что – уже не актуально. Эти общие советы помогают и при отладке, и при поиске багов. В общем, не будьте неряшливым «говнокодером», и ваши программы будут работать быстро и без проблем.
Второй этап поиска проблемных мест также простой. Разберитесь, когда приложение работает медленнее всего, в какие моменты оно заметно подвисает. Изучите код на предмет ошибок или излишне сложных запутанных решений. Попробуйте написать проще.
Если все равно что-то не работает или «тормозит», придется использовать профилировщики отладочного вывода, в том числе, с учетом записи логов всех запросов SQL, если программа работает с базами данных. В случае поиска вслепую вы потратите много времени и не факт, что сможете добиться положительных результатов.
Рассмотрим самые популярные методы оптимизации программ. Некоторые из них возможно вызовут у вас недоумение, но поверьте, они работают.
Настройка окруженияИспользуемая вами SQL или другая система управления базами данных могут быть неверно настроены. Настройки по умолчанию далеко не идеальны. Возможно, какие-то дополнительные проверки как раз и замедляют процесс.
Иногда удается заметно ускорить работу программы, изменив ключевые настройки виртуальной машины Java. Кстати, это поможет сделать быстрее работу не только тестируемого приложения, но и всей системы.
Также обратите внимание на саму операционную систему и мощность «железа». Может быть они вообще не предназначены для работы программного продукта, который вы пытаетесь запустить и ускорить? А, может, устарели и потому «тормозят»?
Все это не относится напрямую к оптимизации программы, но проверить нужно до начала работы с кодом. Просто потому, что такие «досадные мелочи» нередко оказываются ключевой проблемой, а код – вообще не причем.
И не стоит снисходительно улыбаться. Проверять окружение забывают даже опытные разработчики.
Для увеличения скорости работы приложения можно использовать подход сокращения ненужного кода. Часто бывает так, что программа автоматически решает маловажные или уже не актуальные задачи. Например, заказчик, описывая задачу программисту, попросил о каких-то возможностях, а потом передумал. Или вышел новый релиз программы, где часть функций выделили в отдельный модуль, а старый код просто забыли удалить.
В итоге мы имеем лишний функционал, который будет «тормозить» быстродействие. Со временем такой код обрастет совершенно ненужными «костылями» и «подпорками», что не лучшим образом влияет на производительность. В таком случае мы рекомендуем просто переписать модуль «с нуля», выбросив все старое, как ненужных хлам.
МемоизацияМеморизация (от англ. Memoization) означает запоминание. Фактически это простое сохранение результата выполнения определенной функции, которое поможет избежать ее повторного выполнения.
Применяя меморизацию, вы сможете повысить производительность программы.
Работает это очень просто. Перед тем, как функция будет выполняться, проверяется условие – исполнялась ли она ранее. По итогам можно получить два варианта:
- функция вызвана в первый раз, тогда она выполняется, а результат сохраняется;
- модуль уже работал, можно использовать сохраненный результат.
Иногда говорят о табулировании, это синоним мемоизации, который используется во многих языках программирования.
КешированиеЭто метод временного хранения данных в памяти устройства пользователя. Получить доступ к такой информации можно гораздо быстрее, чем каждый раз обращаться к серверу или базам данных. С помощью кэширования значительно ускоряют работу с сайтами, онлайн-системами и т.д.
Вся необходимая информация в данном случае храниться на носителях с быстрым доступом. Это может быть выделенная часть диска или оперативная память. Программа в процессе работы использует кэш по мере необходимости, и обращается к основному хранилищу данных только если не находит их в кэше.
Это способ адаптации алгоритмов, которые были реализованы, как программы для компьютерных систем с параллельной архитектурой. Как правило, это относится к многопроцессорным системам.
Подробно описывать метод мы здесь не будем, так как это займет слишком много места. Кратко можно сказать так: разные вычисления одной программы выполняются одновременно в параллельных потоках. Такой подход позволяют далеко не все языки, а потому тут нередко используют внешние команды системы или ассемблер.
«Ленивые» вычисленияЛенивые (Lazy evaluation) или отложенные вычисления – стратегия, которую применяют в некоторых системах счисления. Суть метода заключается в том, что все расчеты откладываются до тех пор, пока не будет затребован их результат.
Такая стратегия позволит существенно снизить общий объем производимых вычислений, так как ненужные операции попросту не будут выполняться. Чтобы метод начал работать, нужно описать зависимости функций (операндов) друг от друга, что поможет отслеживать работу.
В итоге вы получите код, который будет выполняться только в том случае, когда он действительно нужен.
Приближение или аппроксимаация (от лат. proxima — ближайшая или приближе́ние) – метод замены строгого алгоритма на наиболее подходящие приближенные значения, что влечет за собой определенную потерю точности вычислений. Снижение точности экономит память и повышает скорость. Для того чтобы не использовать длинную арифметику, можно воспользоваться обычными float’ами. Но пользоваться таким методом нужно крайне осторожно, не всегда снижение точности допустимо.
Использование сторонних языковИногда написанная программа может медленно работать из-за того, что много времени занимает проверка описанных типов, что занимает дополнительное время. Чтобы избежать этого эффекта, можно применять фрагменты кода или модули, написанные на других языках. Но делать это нужно крайне осторожно. Все эти «лишние» проверки защищают вас от багов и «дыр» в безопасности, связанных, в том числе, с буферизацией.
Потому хорошо подумайте, действительно ли экономия времени столь существенна? И если придете к выводу, что здесь это – лучшее решение, обязательно проведите особо внимательное тестирование.
Кроме того, если начать использовать в коде фрагменты других языков, это может вызвать эффект «зоопарка», что сильно снижает читабельность программы. Также имейте в виду, что метод может попросту не сработать или даже критически навредить всей программе.
Существует еще очень много методов оптимизации, как общеизвестных, так и личных находок программистов. Мы постарались рассказать, что такое оптимизация, и познакомить вас с самыми популярными методами. А как вы ускоряете работу своих приложений? Делитесь в комментариях.
Оптимизация производительности при разработке программного обеспечения | автор Didacus Odhiambo | The Andela Way
Оптимизация производительности программ и программного обеспечения — это процесс модификации программной системы, чтобы сделать ее работу более эффективной и быстрой.
Оптимизация производительности является ключом к эффективному функционированию приложения и осуществляется путем мониторинга и анализа производительности приложения и определения способов ее улучшения.
Оптимизация производительности обычно направлена на улучшение только одного или двух аспектов производительности системы, например времени выполнения, использования памяти, дискового пространства, пропускной способности и т. д. Обычно это требует компромисса, когда один аспект реализуется за счет других. Например, увеличение размера кэша повышает производительность во время выполнения, но также увеличивает потребление памяти.
Уровень проектирования
- Проект системы может быть оптимизирован для наилучшего использования имеющихся ресурсов, заданных целей и ожидаемой нагрузки.
- Архитектурный дизайн системы играет важную роль и в значительной степени влияет на производительность системы.
- Например, система с сетевой задержкой может быть оптимизирована для минимизации сетевых запросов, в идеале — один запрос, а не несколько запросов.
Алгоритмы и структуры данных
- Алгоритм и структуры данных играют очень важную роль и имеют решающее значение для производительности системы.
- Чтобы гарантировать оптимизацию системы, мы должны убедиться, что алгоритмы являются постоянными O (1), логарифмическими O (log n), линейными O (n) или логарифмическими O (n log n).
- Алгоритмы квадратичной сложности O(n2) не масштабируются.
- Абстрактные типы данных более эффективны для системной оптимизации.
Уровень исходного кода. Уровень сборки NB: Оптимизация часто снижает удобочитаемость и вводит коды или технологии, которые используются для повышения производительности. Это может усложнить системы, усложнив их обслуживание и отладку, поэтому рекомендуется выполнять оптимизацию в конце этапа разработки. Приложения представляют собой смесь серверного и клиентского кода. У вашего приложения могут быть проблемы с производительностью с обеих сторон, и обе они должны быть оптимизированы. Клиентская сторона относится к тому, как производительность отображается в веб-браузере или пользовательском интерфейсе. Это включает в себя время начальной загрузки страницы, загрузку всех ресурсов, JavaScript, который запускается в браузере, время загрузки изображений и т. д. На стороне сервера относится к тому, сколько времени требуется серверу для выполнения запросов. Оптимизация производительности на сервере обычно связана с оптимизацией таких вещей, как запросы к базе данных и другие зависимости приложений. Оптимизация производительности на стороне клиента Ниже приведены некоторые способы оптимизации производительности на стороне клиента 2. Пакет и минификация 3. Оптимизация использования изображений 4. Удаление повторяющегося кода JavaScript и CSS 5. Использование минималистичной инфраструктуры стилей Подход к оптимизации программы (POA) Фонда по борьбе со СПИДом у детей Элизабет Глейзер (EGPAF) представляет собой применение стандартизированного и постоянного использования фактических данных и научных исследований для улучшения разработки, реализации, качества и воздействия программ. POA уделяет особое внимание интеграции оценок программ, анализов и использования данных с общим акцентом на более широкое улучшение программы, которое выходит далеко за рамки обычного внимания к проблемам на уровне учреждения. Его цели заключаются в стандартизации процессов для постоянного улучшения программ, операций и реализации услуг; максимизировать и измерить воздействие программ и услуг; и создать доказательную базу для инноваций и распространения. На сегодняшний день EGPAF приняла POA во всем мире и учредила Комитет по надзору за POA (G-POC) для обеспечения руководства. G-POC определяет приоритеты оптимизации для всего EGPAF, которые включают: прямое предоставление услуг и техническую помощь, а также отношения между операциями и программами; создание и использование в режиме реального времени данных продольной программы на уровне пациента для измерения результатов вмешательства; проведение анализа расходов на обслуживаемых клиентов и выполненных работ, а также определение возможностей сокращения затрат; и оптимизация набора, приверженности и удержания ВИЧ-позитивных беременных женщин, детей и подростков (особенно молодых девушек) в каскадах профилактики и лечения ВИЧ/СПИДа. Результатом POA являются высококачественные системы, от клинических до операционных, с улучшенными функциями персонала, механизмами поддержки и экономией средств.
Подход к оптимизации программы — Детский фонд СПИДа Элизабет Глейзер
Основные результаты
Команда EGPAF-Уганда стремилась определить возможные объяснения задержек визитов клиентов, включая основные причины пропуска визитов, и использовать эту информацию для разработки мероприятий по поддержке клиентов. После ряда вмешательств чистые потери клиентов на АРТ в конце каждого квартала снизились с 9 908 на конец декабря 2018 г. до 2 959 на конец июня 2019 г.. За тот же период показатель удержания под опекой увеличился с 94% до 98%.
Ваш комментарий будет первым