文章持續更新，可以關注公眾號程式猿阿朗或訪問未讀程式碼部落格。
本文 Github.com/niumoo/JavaNotes 已經收錄,歡迎Star。
這篇文章介紹幾個 Java 開發中可以進行效能優化的小技巧，雖然大多數情況下極致優化程式碼是沒有必要的，但是作為一名技術開發者，我們還是想追求程式碼的更小、更快，更強。如果哪天你發現程式的執行速度不盡人意，可能會想到這篇文章。
提示：我們不應該為了優化而優化，這有時會增加程式碼的複雜度。
這篇文章中的程式碼都在以下環境中進行效能測試。
- 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，將發現以下幾個操作的效能差異。
- 預先分配 HashMap 的大小，提高 1/4 的效能。
- 優化 HashMap 的 key，效能相差 9.5 倍。
- 不使用 Enum.values() 遍歷，Spring 也曾如此優化。
- 使用 Enum 代替 String 常量，效能高出 1.5 倍。
- 使用高版本 JDK，基礎操作有 2-5 倍效能差異。
當前文章屬於Java 效能分析優化系列文章，點選可以檢視所有文章。
當前文章中的測試使用 JMH 基準測試，相關文章：使用JMH進行Java程式碼效能測試。
預先分配 HashMap 的大小
HashMap 是 Java 中最為常用的集合之一，大多數的操作速度都非常快，但是 HashMap 在調整自身的容量大小時是很慢且難以自動優化，因此我們在定義一個 HashMap 之前，應該儘可能的給出它的容量大小。給出 size 值時要考慮負載因子，HashMap 預設負載因子是 0.75，也就是要設定的 size 值要除於 0.75。
相關文章：HashMap 原始碼分析解讀
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，那麼最多可以承載 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，已經有 1/4 的效能差異了。
優化 HashMap 的 key
如果 HashMap 的 key 值需要用到多個 String 字串時，把字串作為某個類屬性，然後使用這個類的例項作為 key 會比使用字串拼接效率更高。
下面測試使用兩個字串拼接作為 key，和把兩個字串作為 MutablePair 類的屬性引用，然後使用 MutablePair 物件作為 key 的執行效率差異。
/**
* @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可以發現使用物件引用作為 key 的效能，是使用 String 拼接作為 key 的效能的 9.5 倍。
不使用 Enum.values() 遍歷
我們通常會使用 Enum.values() 進行列舉類遍歷，但是這樣每次呼叫都會分配列舉類值數量大小的陣列用於操作，這裡完全可以快取起來，以減少每次記憶體分配的時間和空間消耗。
/**
* 列舉類遍歷測試
*
* @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());
}
}
}執行結果
# 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很明顯使用快取後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，陣列的遍歷效率是大於雜湊表的。
可能你會覺得這裡使用 values() 快取和直接使用 Enum.values() 的效率差異很小，其實在某些呼叫頻率很高的場景下是有很大區別的，在 Spring 框架中，曾使用 Enum.values() 這種方式在每次響應時遍歷 HTTP 狀態碼列舉類，這在請求量大時造成了不必要的效能開銷，後來進行了 values() 快取優化。
下面是這次提交的截圖：
使用 Enum 代替 String 常量
使用 Enum 列舉類代替 String 常量有明顯的好處，列舉類強制驗證，不會出錯，同時使用列舉類的效率也更高。即使作為 Map 的 key 值來看，雖然 HashMap 的速度已經很快了，但是使用 EnumMap 的速度可以更快。
提示：不要為了優化而優化，這會增加程式碼的複雜度。
下面測試使用使用 Enum 作為 key，和使用 String 作為 key，在 map.get 操作下的效能差異。
/**
* @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;
}
/** 要查詢的 key 的數量 */
private static int size = 10000;
/** 隨機數種子 */
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));
}
}
}執行結果:
# JMH version: 1.33
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724
Benchmark Mode Cnt Score Error Units
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 的效能比使用 String 作為 key 的效能高出 1.5 倍。但是仍然要根據實際情況考慮是否使用 EnumMap 和 EnumSet。
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 實現相比高版本 JDK ，則佔用空間更多，效能更低。
下面測試 String 轉 bytes 和 bytes 轉 String 在 Java 8 以及 Java 11 中的效能開銷。
/**
* @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-b12
Benchmark (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+35-2724
Benchmark (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 的效能是 Java 8 的 2.5 倍左右，而 String 轉 bytes 操作，Java 17 的效能是 Java 8 的 5 倍。關於字串的操作非常基礎，隨處可見，可見高版本的優勢十分明顯。
一如既往，當前文章中的程式碼示例都存放在 github.com/niumoo/JavaNotes.
參考
訂閱
可以微信搜一搜 程式猿阿朗 或訪問 程式猿阿朗部落格 閱讀。
本文 Github.com/niumoo/JavaNotes 已經收錄，有很多知識點和系列文章，歡迎Star。
