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Java 的基本數(shù)據(jù)類型（int、double、 char）都不是對(duì)象。但由于很多Java代碼需要處理的是對(duì)象（Object），Java給所有基本類型提供了包裝類（Integer、Double、Character）。有了自動(dòng)裝箱，你可以寫如下的代碼
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- Character boxed = 'a';
- char unboxed = boxed;
編譯器自動(dòng)將它轉(zhuǎn)換為
- Character boxed = Character.valueOf('a');
- char unboxed = boxed.charValue();
然而，Java虛擬機(jī)不是每次都能理解這類過程，因此要想得到好的系統(tǒng)性能，避免不必要的裝箱很關(guān)鍵。這也是 OptionalInt 和 IntStream 等特殊類型存在的原因。在這篇文章中，我將概述JVM很難消除自動(dòng)裝箱的一個(gè)原因。
實(shí)例
例如，我們想要計(jì)算任意一類數(shù)據(jù)的編輯距離（Levenshtein距離），只要這些數(shù)據(jù)可以被看作一個(gè)序列：
- public class Levenshtein{
- private final Function> asList;
- public Levenshtein(Function> asList) {
- this.asList = asList;
- }
- public int distance(T a, T b) {
- // Wagner-Fischer algorithm, with two active rows
- List aList = asList.apply(a);
- List bList = asList.apply(b);
- int bSize = bList.size();
- int[] row0 = new int[bSize + 1];
- int[] row1 = new int[bSize + 1];
- for (int i = 0; i row0[i] = i;
- }
- for (int i = 0; i < bSize; ++i) {
- U ua = aList.get(i);
- row1[0] = row0[0] + 1;
- for (int j = 0; j < bSize; ++j) {
- U ub = bList.get(j);
- int subCost = row0[j] + (ua.equals(ub) ? 0 : 1);
- int delCost = row0[j + 1] + 1;
- int insCost = row1[j] + 1;
- row1[j + 1] = Math.min(subCost, Math.min(delCost, insCost));
- }
- int[] temp = row0;
- row0 = row1;
- row1 = temp;
- }
- return row0[bSize];
- }
- }
只要兩個(gè)對(duì)象可以被看作List，這個(gè)類就可以計(jì)算它們的編輯距離。如果想計(jì)算String類型的距離，那么就需要把String轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)ist類型：
- public class StringAsList extends AbstractList{
- private final String str;
- public StringAsList(String str) {
- this.str = str;
- }
- @Override
- public Character get(int index) {
- return str.charAt(index); // Autoboxing! }
- @Override
- public int size() {
- return str.length();
- }
- }
- ...
- Levenshteinlev = new Levenshtein<>(StringAsList::new);
- lev.distance("autoboxing is fast", "autoboxing is slow"); // 4
由于Java泛型的實(shí)現(xiàn)方式，不能有List類型，所以要提供List和裝箱操作。（注：Java10中，這個(gè)限制也許會(huì)被取消。）
為了查看代碼熱路徑（hot path）上的結(jié)果，JMH集成了Linux工具perf，可以查看最熱代碼塊的JIT編譯結(jié)果。（要想查看匯編代碼，需要安裝hsdis插件。我在 AUR上提供了下載，Arch用戶可以直接獲取。）在JMH命令行添加 -prof perfasm 命令，就可以看到結(jié)果：
為了測(cè)試 distance() 方法的性能，需要做基準(zhǔn)測(cè)試。Java中微基準(zhǔn)測(cè)試很難保證準(zhǔn)確，但幸好OpenJDK提供了JMH（Java Microbenchmark Harness），它可以幫我們解決大部分難題。如果感興趣的話，推薦大家閱讀文檔和實(shí)例；它會(huì)很吸引你。以下是基準(zhǔn)測(cè)試：
- @State(Scope.Benchmark)
- public class MyBenchmark {
- private Levenshtein lev = new Levenshtein<>(StringAsList::new);
- @Benchmark
- @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
- @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
- public int timeLevenshtein() {
- return lev.distance("autoboxing is fast", "autoboxing is slow");
- }
- }
（返回方法的結(jié)果，這樣JMH就可以做一些操作讓系統(tǒng)認(rèn)為返回值會(huì)被使用到，防止冗余代碼消除影響了結(jié)果。）
以下是結(jié)果：
- $ java -jar target/benchmarks.jar -f 1 -wi 8 -i 8
- # JMH 1.10.2 (released 3 days ago)
- # VM invoker: /usr/lib/jvm/java-8-openjdk/jre/bin/java
- # VM options:
- # Warmup: 8 iterations, 1 s each
- # Measurement: 8 iterations, 1 s each
- # Timeout: 10 min per iteration
- # Threads: 1 thread, will synchronize iterations
- # Benchmark mode: Average time, time/op
- # Benchmark: com.tavianator.boxperf.MyBenchmark.timeLevenshtein
- # Run progress: 0.00% complete, ETA 00:00:16
- # Fork: 1 of 1
- # Warmup Iteration 1: 1517.495 ns/op
- # Warmup Iteration 2: 1503.096 ns/op
- # Warmup Iteration 3: 1402.069 ns/op
- # Warmup Iteration 4: 1480.584 ns/op
- # Warmup Iteration 5: 1385.345 ns/op
- # Warmup Iteration 6: 1474.657 ns/op
- # Warmup Iteration 7: 1436.749 ns/op
- # Warmup Iteration 8: 1463.526 ns/op
- Iteration 1: 1446.033 ns/op
- Iteration 2: 1420.199 ns/op
- Iteration 3: 1383.017 ns/op
- Iteration 4: 1443.775 ns/op
- Iteration 5: 1393.142 ns/op
- Iteration 6: 1393.313 ns/op
- Iteration 7: 1459.974 ns/op
- Iteration 8: 1456.233 ns/op
- Result "timeLevenshtein":
- 1424.461 ±(99.9%) 59.574 ns/op [Average]
- (min, avg, max) = (1383.017, 1424.461, 1459.974), stdev = 31.158
- CI (99.9%): [1364.887, 1484.034] (assumes normal distribution)
- # Run complete. Total time: 00:00:16
- Benchmark Mode Cnt Score Error Units
- MyBenchmark.timeLevenshtein avgt 8 1424.461 ± 59.574 ns/op
分析
為了查看代碼熱路徑（hot path）上的結(jié)果，JMH集成了Linux工具perf，可以查看最熱代碼塊的JIT編譯結(jié)果。（要想查看匯編代碼，需要安裝hsdis插件。我在 AUR上提供了下載，Arch用戶可以直接獲取。）在JMH命令行添加 -prof perfasm 命令，就可以看到結(jié)果：
- $ java -jar target/benchmarks.jar -f 1 -wi 8 -i 8 -prof perfasm
- ...
- cmp $0x7f,%eax
- jg 0x00007fde989a6148 ;*if_icmpgt
- ; - java.lang.Character::valueOf@3 (line 4570)
- ; - com.tavianator.boxperf.StringAsList::get@8 (line 14)
- ; - com.tavianator.boxperf.StringAsList::get@2; (line 5)
- ; - com.tavianator.boxperf.Levenshtein::distance@121 (line 32)
- cmp $0x80,%eax
- jae 0x00007fde989a6103 ;*aaload
- ; - java.lang.Character::valueOf @ 10 (line 4571)
- ; - com.tavianator.boxperf.StringAsList::get@8 (line 14)
- ; - com.tavianator.boxperf.StringAsList::get @ 2 (line 5)
- ; - com.tavianator.boxperf.Levenshtein::distance@121 (line 32)
- ...
輸出內(nèi)容很多，但上面的一點(diǎn)內(nèi)容就說明裝箱沒有被優(yōu)化。為什么要和0x7f/0×80的內(nèi)容做比較呢？原因在于Character.valueOf()的取值來源：
- private static class CharacterCache {
- private CharacterCache(){}
- static final Character cache[] = new Character[127 + 1];
- static {
- for (int i = 0; i < cache.length; i++)
- cache[i] = new Character((char)i);
- }
- }
- public static Character valueOf(char c) {
- if (c return CharacterCache.cache[(int)c];
- }
- return new Character(c);
- }
可以看出，Java語法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定前127個(gè)char的Character對(duì)象放在緩沖池中，Character.valueOf()的結(jié)果在其中 時(shí)，直接返回緩沖池的對(duì)象。這樣做的目的是減少內(nèi)存分配和垃圾回收，但在我看來這是過早的優(yōu)化。而且它妨礙了其他優(yōu)化。JVM無法確定 Character.valueOf(c).charValue() == c，因?yàn)樗恢谰彌_池的內(nèi)容。所以JVM從緩沖池中取了一個(gè)Character對(duì)象并讀取它的值，結(jié)果得到的就是和 c 一樣的內(nèi)容。
解決方法
解決方法很簡(jiǎn)單：
- @ @ -11,7 +11,7 @ @ public class StringAsList extends AbstractList {
- @Override
- public Character get(int index) {
- - return str.charAt(index); // Autoboxing!
- + return new Character(str.charAt(index));
- }
@Override
用顯式的裝箱代替自動(dòng)裝箱，就避免了調(diào)用Character.valueOf()，這樣JVM就很容易理解代碼：
- private final char value;
- public Character(char value) {
- this.value = value;
- }
- public char charValue() {
- return value;
- }
雖然代碼中加了一個(gè)內(nèi)存分配，但JVM能理解代碼的意義，會(huì)直接從String中獲取char字符。性能提升很明顯：
- $ java -jar target/benchmarks.jar -f 1 -wi 8 -i 8
- ...
- # Run complete. Total time: 00:00:16
- Benchmark Mode Cnt Score Error Units
- MyBenchmark.timeLevenshtein avgt 8 1221.151 ± 58.878 ns/op
速度提升了14%。用 -prof perfasm 命令可以顯示，改進(jìn)以后是直接從String中拿到char值并在寄存器中比較的：
movzwl 0x10(%rsi,%rdx,2),%r11d ;*caload
; - java.lang.String::charAt@27 (line 648)
; - com.tavianator.boxperf.StringAsList::get@9 (line 14)
; - com.tavianator.boxperf.StringAsList::get @ 2 (line 5)
; - com.tavianator.boxperf.Levenshtein::distance@121 (line 32)
cmp %r11d,%r10d
je 0x00007faa8d404792 ;*if_icmpne
; - java.lang.Character::equals@18 (line 4621)
; - com.tavianator.boxperf.Levenshtein::distance@137 (line 33)
總結(jié)
裝箱是HotSpot的一個(gè)弱項(xiàng)，希望它能做到越來越好。它應(yīng)該多利用裝箱類型的語義，消除裝箱操作，這樣以上的解決辦法就沒有必要了。
以上的基準(zhǔn)測(cè)試代碼都可以在GitHub上訪問。
本文標(biāo)題：Java自動(dòng)裝箱性能
網(wǎng)站網(wǎng)址：http://www.5511xx.com/article/dhpgdep.html
