作者:Jimmy Zhang;rainy14f(作者的blog:http://shaofan.blogjava.net/)
概要
做為下一代WEB應用的推動性技術(shù)，XML相當簡單，易學易用。然而，當前的XML處理技術(shù)卻非如此。Document Object Model和Simple API for XML都比較慢，低效，且不易于使用。VTD-XML，作為下一代的XML處理模型，提供超越DOM和SAX的廣泛用途和更佳選擇，不僅可以簡化XML編程，也使選擇XML處理模型更加容易。這篇文章通過最近的基準測試數(shù)據(jù)和示例程序來突顯它的關(guān)鍵性的技術(shù)優(yōu)勢，顯示出VTD-XML將可能解決長期以來困擾企業(yè)架構(gòu)的，在DOM和SAX之間進行抉擇的問題。
自從誕生以來的八年里，XML作為一個開放，半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)格式和WEB應用的數(shù)據(jù)交換工具，已取得了長足進步。由于它的簡易性和良好的可讀性，XML受到開發(fā)人員的熱烈歡迎，并且已經(jīng)成為了企業(yè)架構(gòu)不可分割的一部分。
雖然很難說清XML到底有多少種不同的應用，但至少有一點是肯定的：XML解析處理已成為各種工作的先決任務(wù)。實際上，決定使用哪種解析器也經(jīng)常是企業(yè)開發(fā)者在項目中必須首先解決的問題之一。長久以來，這其實就是在兩種 XML處理模型之間做出選擇：Document Object Model (DOM) 和 Simple API for XML (SAX)。
粗看之下，DOM和SAX各自的優(yōu)缺點剛好形成互補。DOM使用內(nèi)存保存對象結(jié)構(gòu)；而SAX則基于事件并且不使用內(nèi)存來存儲任何數(shù)據(jù)。因此，DOM比較適合文檔較小而數(shù)據(jù)訪問模式復雜的情況，相反情況下，則使用SAX。
然而事實卻并不這么單純。很多情況下，開發(fā)者不情愿使用復雜的SAX，但又不得不用，因為沒有其他選擇。此外，即使XML文件的大小只是稍微大于幾百K，DOM的內(nèi)存開銷和性能遲滯也會成為棘手的障礙，使得程序無法達到項目所要求的最低性能目標。
那么是否SAX的性能真得好得多？實際上，SAX所吹噓的解析性能――通常比DOM快幾倍――常常是不現(xiàn)實的。事實顯示，SAX笨拙的，只能往前的解析不僅在使用時相當不便，而且當文檔結(jié)構(gòu)稍微復雜時，也會遇到性能問題。如果開發(fā)人員不想多次掃描文檔，那么就需要對文檔進行緩沖，或構(gòu)建自己的對象模型。
不管使用哪種方法，性能都會成為問題，正如Apache Axis所證明的那樣。在Axis的FAQ頁面，它聲稱使用了SAX來構(gòu)建高性能的實現(xiàn)，但它仍然使用了他們自己的和DOM非常相像的對象模型。但與它的前任 (Apache SOAP) 相比，這種做法并沒有帶來明顯的性能提升。而且，SAX無法處理XPath，一般來說也無法驅(qū)動XSLT (Extensible Stylesheet Language Transformation) 的處理。因此，SAX仍然無法真正解決XML處理中的問題。
為了尋找一個更易用的SAX的取代方案，越來越多的開發(fā)人員開使轉(zhuǎn)向StAX (Streaming API for XML)。與SAX相比，StAX使用從XML文件中提取標記的方法，而不是回調(diào)。這種方案顯著地改善了可用性，但一個基本的問題仍然存在――StAX的只能往前的解析對于程序員依然不便，而且存在隱藏的性能損失。
底線是：任何想得到廣泛應用的XML處理模型，必需能夠完整體現(xiàn)XML的層次結(jié)構(gòu)。這是因為，XML是被設(shè)計為在WEB上傳輸復雜數(shù)據(jù)的，因此完整展現(xiàn)它的結(jié)構(gòu)信息也是它的任務(wù)之一。
VTD-XML改變了游戲
假設(shè)我們要從頭開始一個XML處理過程，并克服上面提到的DOM和SAX的種種缺點，那么這個新的模型應該具有以下屬性：
* 隨機訪問能力：處理模型應該允許開發(fā)人員方便訪問文檔的某種層次結(jié)構(gòu)，比如，使用XPath，或手動。
* 高性能：性能上與DOM及SAX相比，應有顯著提高，而且這個“性能”應該是真實的，就是說，應該把建立文檔層次結(jié)構(gòu)的時間也算上。
* 低內(nèi)存占用率：要使該模型能夠被廣泛應用于各種場景，不管文件的大小，那它就必須能夠以最低的內(nèi)存消耗來表現(xiàn)XML的結(jié)構(gòu)。
VTD-XML就是一個實現(xiàn)了這些目標的下一代的開源XML處理模型。它相比于DOM和SAX有著本質(zhì)和全面的改進。VTD-XML的一個關(guān)鍵優(yōu)化是非提取符號(non-extractive tokenization)。在其內(nèi)部，VTD-XML在內(nèi)存中保存完整及未解碼的XML消息，并使用一個二進制編碼規(guī)范來唯一地表示每個符號。這種規(guī)范被稱為Virtual Token Descriptor（虛擬符號描述符）。每個VTD記錄都是一個64字節(jié)的整數(shù)，它對XML中符號的長度，起始偏移量，類型，嵌套深度進行了編碼。
再簡單地介紹一下VTD-XML的歷史，也許你會感興趣：最初這個概念是被用來在特定硬件設(shè)備上使用，以使這些硬件（如路由器，交換機）可以高速處理XML，比如FPGA,ASIC。此后，VTD-XML項目組決定使它開源，并于2004年五月發(fā)布了VTD-XML的最初版本，0.5版，用JAVA實現(xiàn)。從那時起。VTD-XML經(jīng)歷了多次改進并越來越成熟。在0.8版本中，C語言版本的VTD-XML與JAVA版同時發(fā)布。在1.0版中引入了對XPath的內(nèi)建支持，于2005年10月發(fā)布。最新的版本是1.5版，它的解析引擎被重新編寫以實現(xiàn)更強的模塊化和更高的性能。
同樣，在這個版本中還出現(xiàn)了一個新的特性，叫作緩沖重用。它的基本概念是，當XML應用需要通過網(wǎng)絡(luò)連接來反復地讀入XML文檔時，該應用會重用在第一次處理中分配的內(nèi)存緩沖。換句話說，即一次分配，多次使用。就VTD-XML來講，這個特性完全消除了在處理XML過程中建立對象和垃圾回收的開銷（在DOM和SAX中占用50%至80%的開銷）。在該項目的網(wǎng)站上，提供有最新的軟件下載和深層技術(shù)說明。
一個簡短例子
為了使你更好地了解VTD-XML編程的風格，本文首先對用VTD-XML和DOM解析和訪問一個簡單的XML文件進行對比。該文件名為test.xml，內(nèi)容如下：
<purchaseOrder orderDate="1999-10-21">
?????? <item partNum="872-AA">
???????? <productName>Lawnmower</productName>
???????? <quantity>1</quantity>
???????? <USPrice>148.95</USPrice>
?????? </item>
</purchaseOrder>
VTD-XML版本的程序如下：
import com.ximpleware.*;
import com.ximpleware.parser.*;
import java.io.*;
public class use_vtd {
????public static void main(String[] args){
????????try{
????????????File f = new File("test.xml");
????????????FileInputStream fis = new FileInputStream(f);
????????????byte[] ba = new byte[(int)f.length()];
????????????fis.read(ba);
????????????VTDGen vg = new VTDGen();
????????????vg.setDoc(ba);
????????????vg.parse(false);
????????????VTDNav vn = vg.getNav();
????????????if (vn.matchElement("purchaseOrder")){
????????????????System.out.println(" orderDate==>"
????????????????????+ vn.toString(vn.getAttrVal("orderDate")));
????????????????if (vn.toElement(VTDNav.FIRST_CHILD,"item")){
????????????????????if (vn.toElement(VTDNav.FIRST_CHILD)){
????????????????????????do {
????????????????????????????System.out.print( vn.toString(vn.getCurrentIndex()));
????????????????????????????????System.out.print("==>");
????????????????????????????System.out.println( vn.toString(vn.getText()));
????????????????????????} while(vn.toElement(VTDNav.NEXT_SIBLING));
????????????????????}
????????????????}
????????????}
????????}
????????catch (Exception e){
????????????System.out.println("exception occurred ==>"+e);
????????}
????}
}
實現(xiàn)同樣功能的DOM版本的程序：
import java.io.*;
import org.w3c.dom.*;
import org.w3c.*;
import javax.xml.parsers.*;
import javax.xml.parsers.DocumentBuilder;
import javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory;
import javax.xml.parsers.FactoryConfigurationError;
import javax.xml.parsers.ParserConfigurationException;
import org.w3c.dom.*;
import org.xml.sax.SAXException;
public class use_dom {
????public static void main(String[] args){
????????try{
????????????DocumentBuilderFactory factory =
????????????DocumentBuilderFactory.newInstance();
????????????DocumentBuilder parser = factory.newDocumentBuilder();
????????????Document d= parser.parse("test.xml");
????????????Element root = d.getDocumentElement();
????????????if (root.getNodeName().compareTo("purchaseOrder")==0){
????????????????System.out.println(" orderDate==> "
????????????????????+ root.getAttribute("orderDate"));
????????????????Node n = root.getFirstChild();
????????????????if (n != null){
????????????????????do {
????????????????????????if (n.getNodeType() == Node.ELEMENT_NODE
????????????????????????????&& n.getNodeName().compareTo("item")==0){
????????????????????????????Node n2 = n.getFirstChild();
????????????????????????????if (n2!=null){
????????????????????????????????do {
????????????????????????????????????if (n2.getNodeType()
????????????????????????????????????????== Node.ELEMENT_NODE){????
????????????????????????????????????????System.out.println(
????????????????????????????????????????????n2.getNodeName()
????????????????????????????????????????????+ "==>" +
????????????????????????????????????????????n2.getFirstChild().getNodeValue()
????????????????????????????????????????);
????????????????????????????????????}
????????????????????????????????}while((n2=n2.getNextSibling())!=null);
????????????????????????????}
????????????????????????}
????????????????????}while ((n=n.getNextSibling()) != null );
????????????????}
????????????}
????????}
????????catch (Exception e){
????????????System.out.println("exception occurred ==>"+e);
????????}????
????}
}
像以上所展示的那樣，VTD-XML使用基于游標的API來訪問XML層次結(jié)構(gòu)。相比之下，DOM API通過請求對象的引用來達成同樣目標。VTD-XML的項目網(wǎng)站提供更多詳細的技術(shù)資料和示例程序。
VTD-XML的基準測試
下面，我們來比較一下VTD-XML一些流行的XML解析器的性能和內(nèi)存占用情況。值得注意的是，多數(shù)包含基準測試數(shù)據(jù)的文章，如Dennis Sosnoski于2002年4月發(fā)表在JavaWorld上的“XML Documents on the Run”，都是多年前的文章。自那以后，如摩爾定律所示，更好更快的硬件大量涌現(xiàn)并越來越便宜。同時，XML解析與JVM技術(shù)也并未止步不前――在一些關(guān)鍵領(lǐng)域做出了改進。
測試設(shè)置
測試平臺是Sony VAIO筆記本電腦，使用Pentium M 1.7 GHz處理器（2MB L2 cache），512MB DDR2內(nèi)存。前端總線頻率為400MHz。操作系統(tǒng)為Windows XP Professional Edition with Services pack 2。JVM版本為1.5.0_06。
對以下XML解析器的最新版本進行了基準測試：
*Xerces DOM 2.7.1, 帶有及不帶有延遲節(jié)點擴展(deferred node expansion)
*Xerces SAX 2.7.1
*Piccolo SAX 1.04
*XPP3 1.1.3.4.O
*VTD-XML 1.5, 帶有及不帶有緩沖重用
在測試中我使用了大量不同大小和不同復雜程度的XML文檔。從文檔大小上，我把它們分為三類：小文件（小于10KB）；中文件（10KB至1MB）；大文件（大于1MB）。
在全部的性能度量中我都使用了服務(wù)器的JVM來獲取最高性能。在這些測試中，基準測試程序首先會多次解析或訪問文檔，使JVM對字節(jié)碼進行即時動態(tài)優(yōu)化，之后才取得性能的平均值作為最終結(jié)果。為了減少由于磁盤IO導致的時間差別，基準測試程序在測試運行之前已經(jīng)把XML文件讀入到內(nèi)存中。
注意：有興趣的讀者可以從資源下載基準測試程序。
吞吐量對比解析
本節(jié)在延遲時間和吞吐量上對XML解析性能進行描述。要注意的是VTD-XML與DOM可直接進行比較，而與SAX或Pull直接對比就很不公平，因為它們不在內(nèi)存中構(gòu)建任何層次結(jié)構(gòu)。因此SAX和Pull的性能在此只作為額外參考。
吞吐量
圖 1. 小文件.
????
圖 2. 中文件.
????
圖 3. 大文件.
延遲時間對比
表 1. 小文件
表 2. 中文件
表 3. 大文件
內(nèi)存占用率對比
因為SAX和Pull不在內(nèi)存中構(gòu)建任何數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以這項測試只有與DOM的對比才有意義。因此，本節(jié)對倍加系數(shù)(multiplying factor)進行衡量，該系數(shù)為內(nèi)存占用率與大文件的文件大小之比（內(nèi)存占用對大文件特別重要）。
圖 4.
訪問性能對比
本節(jié)從延遲時間上展示VTD-XML與DOM 的訪問性能。延遲時間是指訪問文檔中每個節(jié)點所花的時間。為了遍歷所有節(jié)點，DOM依賴于nodeInterator接口，而VTD-XML則調(diào)用AutoPilot類的成員方法selectElement(…)與iterate(…)。如所預期的一樣，訪問速度比解析速度要快得多。對VTD-XML，訪問時間開銷在解析時間開銷的15%到30%之間。對DOM，該數(shù)字為5%到7%。這并不說明VTD-XML的訪問速度慢于DOM。這完全是因為VTD-XML有著非常快的解析速度。
表 4. 小文件
表 5. 中文件
表 6. 大文件
結(jié)果分析
在Dennis Sosnoski四年前發(fā)表于JavaWorld的文章中，Piccolo是眾多SAX實現(xiàn)中的贏家。現(xiàn)在這得到了改變：最新的Xerces擊敗眾多對手成為性能最好的SAX解析器。測試結(jié)果也顯示，與Xerces相比，XPP3也有相當不錯的性能，不比前者相差很多。
另外，有趣的是，當文件較小時，DOM與SAX的解析性能差距并不像在解析大文件時的相差那么大。在小文件的情況下，DOM的延遲節(jié)點擴展導致比使用完全節(jié)點擴展要差的解析性能。
而VTD-XML的出眾性能使它完全勝過其他任何解析器，這使它自成一級。真正的比較只是存在于使用緩沖重用的VTD-XML及不使用緩沖重用的VTD-XML之間。內(nèi)存占用率上的重大優(yōu)勢使得VTD-XML可以被用于處理大XML文檔，并且對任意大小的文件都有較好的性能。
結(jié)論
VTD-XML是一種全新的，下一代的XML解析器。它解決了許多目前困擾DOM和SAX的問題。VTD-XML高性能與低內(nèi)存占用的結(jié)合意味著：首先，DRAM已經(jīng)相當便宜，如果不是完全沒有空間存放XML文檔，那就沒有多少理由使用SAX；其次，使用VTD-XML使得應用變得更加簡單，更快。它對各種大小的文件的適應性，使得選擇一個合適的XML處理模型變得簡單，而開發(fā)人員也不必再在完全不同的DOM和SAX中進行切換了；最后，VTD-XML可以為長久以來對XML的不滿提供一個令人信服的答案。比如，VTD-XML內(nèi)建了本地XML索引的能力，也許可以永久改變認為XML速度慢的看法。正由于它的性能優(yōu)勢，VTD-XML應該標志著“10倍速XML”時代的到來。更重要的是，VTD-XML的下一站，只在咫尺之遙，那就是“100倍速XML”。
資源
*VTD-XML:http://vtd-xml.sf.net/
*Apache Axis FAQ:http://ws.apache.org/axis/faq.html#faq1
*下載基準測試程序:http://sourceforge.net/project/showfiles.php?group_id=110612
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