Java?中的5個代碼性能提升技巧
前言:
提示：我們不應該為了優(yōu)化而優(yōu)化，這有時會增加代碼的復雜度。
這篇文章中的代碼都在以下環(huán)境中進行性能測試。
- JMH version: 1.33（Java 基準測試框架）
- VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724
通過這篇文章的測試，將發(fā)現(xiàn)以下幾個操作的性能差異。
- 預先分配
HashMap的大小，提高 1/4 的性能。 - 優(yōu)化
HashMap的key，性能相差 9.5 倍。 - 不使用
Enum.values()遍歷，Spring也曾如此優(yōu)化。 - 使用 Enum 代替
String常量，性能高出 1.5 倍。 - 使用高版本 JDK，基礎操作有 2-5 倍性能差異。
1.預先分配 HashMap 的大小
HashMap 是 Java 中最為常用的集合之一，大多數(shù)的操作速度都非?？?，但是 HashMap 在調整自身的容量大小時是很慢且難以自動優(yōu)化，因此我們在定義一個 HashMap 之前，應該盡可能的給出它的容量大小。給出 size 值時要考慮負載因子，HashMap 默認負載因子是 0.75，也就是要設置的 size 值要除于 0.75。
相關文章：HashMap 源碼分析解讀
下面使用 JMH 進行基準測試，測試分別向初始容量為 16 和 32 的 HashMap 中插入 14 個元素的效率。
/**
* @author https://www.wdbyte.com
*/
@State(Scope.Benchmark)
@Warmup(iterations = 3,time = 3)
@Measurement(iterations = 5,time = 3)
public class HashMapSize {
@Param({"14"})
int keys;
@Param({"16", "32"})
int size;
@Benchmark
public HashMap<Integer, Integer> getHashMap() {
HashMap<Integer, Integer> map = new HashMap<>(size);
for (int i = 0; i < keys; i++) {
map.put(i, i);
}
return map;
}
}
HashMap 的初始容量是 16，負責因子 0.75，即最多插入 12 個元素，再插入時就要進行擴容，所以插入 14 個元素過程中需要擴容一次，但是如果 HashMap 初始化時就給了 32 容量，那么最多可以承載 32 * 0.75 = 24 個元素，所以插入 14 個元素時是不需要擴容操作的。
# JMH version: 1.33 # VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724 Benchmark (keys) (size) Mode Cnt Score Error Units HashMapSize.getHashMap 14 16 thrpt 25 4825825.152 ± 323910.557 ops/s HashMapSize.getHashMap 14 32 thrpt 25 6556184.664 ± 711657.679 ops/s
可以看到在這次測試中，初始容量為32 的 HashMap 比初始容量為 16 的 HashMap 每秒可以多操作 26% 次，已經(jīng)有 1/4 的性能差異了。
2.優(yōu)化 HashMap 的 key
如果 HashMap 的 key 值需要用到多個 String 字符串時，把字符串作為某個類屬性，然后使用這個類的實例作為 key 會比使用字符串拼接效率更高。
下面測試使用兩個字符串拼接作為 key，和把兩個字符串作為 MutablePair 類的屬性引用，然后使用 MutablePair 對象作為 key 的運行效率差異。
/**
* @author https://www.wdbyte.com
*/
@State(Scope.Benchmark)
@Warmup(iterations = 3, time = 3)
@Measurement(iterations = 5, time = 3)
public class HashMapKey {
private int size = 1024;
private Map<String, Object> stringMap;
private Map<Pair, Object> pairMap;
private String[] prefixes;
private String[] suffixes;
@Setup(Level.Trial)
public void setup() {
prefixes = new String[size];
suffixes = new String[size];
stringMap = new HashMap<>();
pairMap = new HashMap<>();
for (int i = 0; i < size; ++i) {
prefixes[i] = UUID.randomUUID().toString();
suffixes[i] = UUID.randomUUID().toString();
stringMap.put(prefixes[i] + ";" + suffixes[i], i);
// use new String to avoid reference equality speeding up the equals calls
pairMap.put(new MutablePair(prefixes[i], suffixes[i]), i);
}
}
@Benchmark
@OperationsPerInvocation(1024)
public void stringKey(Blackhole bh) {
for (int i = 0; i < prefixes.length; i++) {
bh.consume(stringMap.get(prefixes[i] + ";" + suffixes[i]));
}
}
@Benchmark
@OperationsPerInvocation(1024)
public void pairMap(Blackhole bh) {
for (int i = 0; i < prefixes.length; i++) {
bh.consume(pairMap.get(new MutablePair(prefixes[i], suffixes[i])));
}
}
}
測試結果：
# JMH version: 1.33 # VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724 Benchmark Mode Cnt Score Error Units HashMapKey.pairMap thrpt 25 89295035.436 ± 6498403.173 ops/s HashMapKey.stringKey thrpt 25 9410641.728 ± 389850.653 ops/s
可以發(fā)現(xiàn)使用對象引用作為 key 的性能，是使用 String 拼接作為 key 的性能的 9.5 倍。
3.不使用 Enum.values() 遍歷
我們通常會使用 Enum.values() 進行枚舉類遍歷，但是這樣每次調用都會分配枚舉類值數(shù)量大小的數(shù)組用于操作，這里完全可以緩存起來，以減少每次內(nèi)存分配的時間和空間消耗。
/**
* 枚舉類遍歷測試
*
* @author https://www.wdbyte.com
*/
@State(Scope.Benchmark)
@Warmup(iterations = 3, time = 3)
@Measurement(iterations = 5, time = 3)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
public class EnumIteration {
enum FourteenEnum {
a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n;
static final FourteenEnum[] VALUES;
static {
VALUES = values();
}
}
@Benchmark
public void valuesEnum(Blackhole bh) {
for (FourteenEnum value : FourteenEnum.values()) {
bh.consume(value.ordinal());
}
}
@Benchmark
public void enumSetEnum(Blackhole bh) {
for (FourteenEnum value : EnumSet.allOf(FourteenEnum.class)) {
bh.consume(value.ordinal());
}
}
@Benchmark
public void cacheEnums(Blackhole bh) {
for (FourteenEnum value : FourteenEnum.VALUES) {
bh.consume(value.ordinal());
}
}
}
運行結果:
# JMH version: 1.33 # VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724 Benchmark Mode Cnt Score Error Units EnumIteration.cacheEnums thrpt 25 15623401.567 ± 2274962.772 ops/s EnumIteration.enumSetEnum thrpt 25 8597188.662 ± 610632.249 ops/s EnumIteration.valuesEnum thrpt 25 14713941.570 ± 728955.826 ops/s
很明顯使用緩存后的遍歷速度是最快的，使用 EnumSet 遍歷效率是最低的，這很好理解，數(shù)組的遍歷效率是大于哈希表的。
可能你會覺得這里使用 values() 緩存和直接使用 Enum.values() 的效率差異很小，其實在某些調用頻率很高的場景下是有很大區(qū)別的，在 Spring 框架中，曾使用 Enum.values() 這種方式在每次響應時遍歷 HTTP 狀態(tài)碼枚舉類，這在請求量大時造成了不必要的性能開銷，后來進行了 values() 緩存優(yōu)化。
下面是這次提交的截圖：
4.使用 Enum 代替 String 常量
使用 Enum 枚舉類代替 String 常量有明顯的好處，枚舉類強制驗證，不會出錯，同時使用枚舉類的效率也更高。即使作為 Map 的 key 值來看，雖然 HashMap 的速度已經(jīng)很快了，但是使用 EnumMap 的速度可以更快。
提示：不要為了優(yōu)化而優(yōu)化，這會增加代碼的復雜度。
下面測試使用使用 Enum 作為 key，和使用 String 作為 key，在 map.get 操作下的性能差異。
/**
* @author https://www.wdbyte.com
*/
@State(Scope.Benchmark)
@Warmup(iterations = 3, time = 3)
@Measurement(iterations = 5, time = 3)
public class EnumMapBenchmark {
enum AnEnum {
a, b, c, d, e, f, g,
h, i, j, k, l, m, n,
o, p, q, r, s, t,
u, v, w, x, y, z;
}
/** 要查找的 key 的數(shù)量 */
private static int size = 10000;
/** 隨機數(shù)種子 */
private static int seed = 99;
@State(Scope.Benchmark)
public static class EnumMapState {
private EnumMap<AnEnum, String> map;
private AnEnum[] values;
@Setup(Level.Trial)
public void setup() {
map = new EnumMap<>(AnEnum.class);
values = new AnEnum[size];
AnEnum[] enumValues = AnEnum.values();
SplittableRandom random = new SplittableRandom(seed);
for (int i = 0; i < size; i++) {
int nextInt = random.nextInt(0, Integer.MAX_VALUE);
values[i] = enumValues[nextInt % enumValues.length];
}
for (AnEnum value : enumValues) {
map.put(value, UUID.randomUUID().toString());
}
}
}
@State(Scope.Benchmark)
public static class HashMapState{
private HashMap<String, String> map;
private String[] values;
@Setup(Level.Trial)
public void setup() {
map = new HashMap<>();
values = new String[size];
AnEnum[] enumValues = AnEnum.values();
int pos = 0;
SplittableRandom random = new SplittableRandom(seed);
for (int i = 0; i < size; i++) {
int nextInt = random.nextInt(0, Integer.MAX_VALUE);
values[i] = enumValues[nextInt % enumValues.length].toString();
}
for (AnEnum value : enumValues) {
map.put(value.toString(), UUID.randomUUID().toString());
}
}
}
@Benchmark
public void enumMap(EnumMapState state, Blackhole bh) {
for (AnEnum value : state.values) {
bh.consume(state.map.get(value));
}
}
@Benchmark
public void hashMap(HashMapState state, Blackhole bh) {
for (String value : state.values) {
bh.consume(state.map.get(value));
}
}
}
運行結果:
# JMH version: 1.33
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724Benchmark????????????????? Mode? Cnt????? Score????? Error? Units
EnumMapBenchmark.enumMap? thrpt?? 25? 22159.232 ± 1268.800? ops/s
EnumMapBenchmark.hashMap? thrpt?? 25? 14528.555 ± 1323.610? ops/s
很明顯，使用 Enum 作為 key 的性能比使用 String 作為 key 的性能高出 1.5 倍。但是仍然要根據(jù)實際情況考慮是否使用 EnumMap 和 EnumSet。
5.使用高版本 JDK
String 類應該是 Java 中使用頻率最高的類了，但是 Java 8 中的 String 實現(xiàn)相比高版本 JDK ，則占用空間更多，性能更低。
下面測試 String 轉 bytes 和 bytes 轉 String 在 Java 8 以及 Java 11 中的性能開銷。
/**
* @author https://www.wdbyte.com
* @date 2021/12/23
*/
@State(Scope.Benchmark)
@Warmup(iterations = 3, time = 3)
@Measurement(iterations = 5, time = 3)
public class StringInJdk {
@Param({"10000"})
private int size;
private String[] stringArray;
private List<byte[]> byteList;
@Setup(Level.Trial)
public void setup() {
byteList = new ArrayList<>(size);
stringArray = new String[size];
for (int i = 0; i < size; i++) {
String uuid = UUID.randomUUID().toString();
stringArray[i] = uuid;
byteList.add(uuid.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
}
}
@Benchmark
public void byteToString(Blackhole bh) {
for (byte[] bytes : byteList) {
bh.consume(new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8));
}
}
@Benchmark
public void stringToByte(Blackhole bh) {
for (String s : stringArray) {
bh.consume(s.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
}
}
}
測試結果：
# JMH version: 1.33
# VM version: JDK 1.8.0_151, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM, 25.151-b12Benchmark???????????????? (size)?? Mode? Cnt???? Score???? Error? Units
StringInJdk.byteToString?? 10000? thrpt?? 25? 2396.713 ± 133.500? ops/s
StringInJdk.stringToByte?? 10000? thrpt?? 25? 1745.060 ±? 16.945? ops/s# JMH version: 1.33
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724Benchmark???????????????? (size)?? Mode? Cnt???? Score???? Error? Units
StringInJdk.byteToString?? 10000? thrpt?? 25? 5711.954 ±? 41.865? ops/s
StringInJdk.stringToByte?? 10000? thrpt?? 25? 8595.895 ± 704.004? ops/s
可以看到在 bytes 轉 String 操作上，Java 17 的性能是 Java 8 的 2.5 倍左右，而 String 轉 bytes 操作，Java 17 的性能是 Java 8 的 5 倍。關于字符串的操作非?；A，隨處可見，可見高版本的優(yōu)勢十分明顯。
到此這篇關于Java 中的5個代碼性能提升技巧的文章就介紹到這了,更多相關Java 代碼性能提升技巧內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
參考：
https://richardstartin.github.io/posts/5-java-mundane-performance-tricks
https://github.com/spring-projects/spring-framework/issues/26842
https://github.com/spring-projects/spring-framework/commit/7f1062159ee9926d5abed7cadc2b36b6b7fc242e
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