Java 中的5个代码性能提升技巧，最高提升近10倍

时间：2021-12-24 作者：niumoo

这篇文章介绍几个 Java 开发中可以进行**性能优化的小技巧**，虽然大多数情况下极致优化代码是没有必要的，但是作为一名技术开发者，我们还是想追求代码的更小、更快，更强。如果哪天你发现程序的运行速度不尽人意，可能会想到这篇文章。

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这篇文章介绍几个 Java 开发中可以进行性能优化的小技巧，虽然大多数情况下极致优化代码是没有必要的，但是作为一名技术开发者，我们还是想追求代码的更小、更快，更强。如果哪天你发现程序的运行速度不尽人意，可能会想到这篇文章。

提示：我们不应该为了优化而优化，这有时会增加代码的复杂度。

这篇文章中的代码都在以下环境中进行性能测试。

JMH version: 域名（Java 基准测试框架）
VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724

通过这篇文章的测试，将发现以下几个操作的性能差异。

预先分配 HashMap 的大小，提高 1/4 的性能。
优化 HashMap 的 key，性能相差 9.5 倍。
不使用域名es() 遍历，Spring 也曾如此优化。
使用 Enum 代替 String 常量，性能高出 1.5 倍。
使用高版本 JDK，基础操作有 2-5 倍性能差异。

当前文章属于Java 性能分析优化系列文章，点击可以查看所有文章。

当前文章中的测试使用 JMH 基准测试，相关文章：使用JMH进行Java代码性能测试。

预先分配 HashMap 的大小

HashMap 是 Java 中最为常用的集合之一，大多数的操作速度都非常快，但是 HashMap 在调整自身的容量大小时是很慢且难以自动优化，因此我们在定义一个 HashMap 之前，应该尽可能的给出它的容量大小。给出 size 值时要考虑负载因子，HashMap 默认负载因子是域名，也就是要设置的 size 值要除于域名。

相关文章：HashMap 源码分析解读

下面使用 JMH 进行基准测试，测试分别向初始容量为 16 和 32 的 HashMap 中插入 14 个元素的效率。

/**
 * @author https://域名
 */
@State(域名hmark)
@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++) {
            域名(i, i);
        }
        return map;
    }
}

HashMap 的初始容量是 16，负责因子域名，即最多插入 12 个元素，再插入时就要进行扩容，所以插入 14 个元素过程中需要扩容一次，但是如果 HashMap 初始化时就给了 32 容量，那么最多可以承载 32 * 域名 = 24 个元素，所以插入 14 个元素时是不需要扩容操作的。

# JMH version: 域名
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724

Benchmark               (keys)  (size)   Mode  Cnt        Score        Error  Units
域名ashMap      14      16  thrpt   25  域名 ± 域名  ops/s
域名ashMap      14      32  thrpt   25  域名 ± 域名  ops/s

可以看到在这次测试中，初始容量为32 的 HashMap 比初始容量为 16 的 HashMap 每秒可以多操作 26% 次，已经有 1/4 的性能差异了。

优化 HashMap 的 key

如果 HashMap 的 key 值需要用到多个 String 字符串时，把字符串作为某个类属性，然后使用这个类的实例作为 key 会比使用字符串拼接效率更高。

下面测试使用两个字符串拼接作为 key，和把两个字符串作为 MutablePair 类的属性引用，然后使用 MutablePair 对象作为 key 的运行效率差异。

/**
 * @author https://域名
 */
@State(域名hmark)
@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(域名l)
    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] = 域名omUUID().toString();
            suffixes[i] = 域名omUUID().toString();
            域名(prefixes[i] + ";" + suffixes[i], i);
            // use new String to avoid reference equality speeding up the equals calls
            域名(new MutablePair(prefixes[i], suffixes[i]), i);
        }
    }

    @Benchmark
    @OperationsPerInvocation(1024)
    public void stringKey(Blackhole bh) {
        for (int i = 0; i < 域名th; i++) {
            域名ume(域名(prefixes[i] + ";" + suffixes[i]));
        }
    }

    @Benchmark
    @OperationsPerInvocation(1024)
    public void pairMap(Blackhole bh) {
        for (int i = 0; i < 域名th; i++) {
            域名ume(域名(new MutablePair(prefixes[i], suffixes[i])));
        }
    }
}

测试结果：

# JMH version: 域名
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724

Benchmark              Mode  Cnt         Score         Error  Units
域名Map    thrpt   25  域名 ± 域名  ops/s
域名ngKey  thrpt   25   域名 ±  域名  ops/s

可以发现使用对象引用作为 key 的性能，是使用 String 拼接作为 key 的性能的 9.5 倍。

不使用域名es() 遍历

我们通常会使用 域名es() 进行枚举类遍历，但是这样每次调用都会分配枚举类值数量大小的数组用于操作，这里完全可以缓存起来，以减少每次内存分配的时间和空间消耗。

/**
 * 枚举类遍历测试
 *
 * @author https://域名
 */
@State(域名hmark)
@Warmup(iterations = 3, time = 3)
@Measurement(iterations = 5, time = 3)
@BenchmarkMode(域名ageTime)
@OutputTimeUnit(域名ISECONDS)
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 : 域名es()) {
            域名ume(域名nal());
        }
    }

    @Benchmark
    public void enumSetEnum(Blackhole bh) {
        for (FourteenEnum value : 域名f(域名s)) {
            域名ume(域名nal());
        }
    }

    @Benchmark
    public void cacheEnums(Blackhole bh) {
        for (FourteenEnum value : 域名ES) {
            域名ume(域名nal());
        }
    }
}

运行结果

# JMH version: 域名
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724

Benchmark                   Mode  Cnt         Score         Error  Units
域名eEnums   thrpt   25  域名 ± 域名  ops/s
域名SetEnum  thrpt   25   域名 ±  域名  ops/s
域名esEnum   thrpt   25  域名 ±  域名  ops/s

很明显使用缓存后的遍历速度是最快的，使用 EnumSet 遍历效率是最低的，这很好理解，数组的遍历效率是大于哈希表的。

可能你会觉得这里使用 values() 缓存和直接使用 域名es() 的效率差异很小，其实在某些调用频率很高的场景下是有很大区别的，在 Spring 框架中，曾使用 域名es() 这种方式在每次响应时遍历 HTTP 状态码枚举类，这在请求量大时造成了不必要的性能开销，后来进行了 values() 缓存优化。

下面是这次提交的截图：

使用 Enum 代替 String 常量

使用 Enum 枚举类代替 String 常量有明显的好处，枚举类强制验证，不会出错，同时使用枚举类的效率也更高。即使作为 Map 的 key 值来看，虽然 HashMap 的速度已经很快了，但是使用 EnumMap 的速度可以更快。

提示：不要为了优化而优化，这会增加代码的复杂度。

下面测试使用使用 Enum 作为 key，和使用 String 作为 key，在 域名 操作下的性能差异。

/**
 * @author https://域名
 */
@State(域名hmark)
@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 的数量 */
    private static int size = 10000;
    /** 随机数种子 */
    private static int seed = 99;

    @State(域名hmark)
    public static class EnumMapState {
        private EnumMap<AnEnum, String> map;
        private AnEnum[] values;

        @Setup(域名l)
        public void setup() {
            map = new EnumMap<>(域名s);
            values = new AnEnum[size];
            AnEnum[] enumValues = 域名es();
            SplittableRandom random = new SplittableRandom(seed);
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                int nextInt = 域名Int(0, 域名VALUE);
                values[i] = enumValues[nextInt % 域名th];
            }
            for (AnEnum value : enumValues) {
                域名(value, 域名omUUID().toString());
            }
        }
    }

    @State(域名hmark)
    public static class HashMapState{
        private HashMap<String, String> map;
        private String[] values;

        @Setup(域名l)
        public void setup() {
            map = new HashMap<>();
            values = new String[size];
            AnEnum[] enumValues = 域名es();
            int pos = 0;
            SplittableRandom random = new SplittableRandom(seed);
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                int nextInt = 域名Int(0, 域名VALUE);
                values[i] = enumValues[nextInt % 域名th].toString();
            }
            for (AnEnum value : enumValues) {
                域名(域名ring(), 域名omUUID().toString());
            }
        }
    }

    @Benchmark
    public void enumMap(EnumMapState state, Blackhole bh) {
        for (AnEnum value : 域名es) {
            域名ume(域名(value));
        }
    }

    @Benchmark
    public void hashMap(HashMapState state, Blackhole bh) {
        for (String value : 域名es) {
            域名ume(域名(value));
        }
    }
}

运行结果:

# JMH version: 域名
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724

Benchmark                  Mode  Cnt      Score      Error  Units
域名Map  thrpt   25  域名 ± 域名  ops/s
域名Map  thrpt   25  域名 ± 域名  ops/s

很明显，使用 Enum 作为 key 的性能比使用 String 作为 key 的性能高出 1.5 倍。但是仍然要根据实际情况考虑是否使用 EnumMap 和 EnumSet。

使用高版本 JDK

String 类应该是 Java 中使用频率最高的类了，但是 Java 8 中的 String 实现相比高版本 JDK ，则占用空间更多，性能更低。

下面测试 String 转 bytes 和 bytes 转 String 在 Java 8 以及 Java 11 中的性能开销。

/**
 * @author https://域名
 * @date 2021/12/23
 */
@State(域名hmark)
@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(域名l)
    public void setup() {
        byteList = new ArrayList<>(size);
        stringArray = new String[size];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            String uuid = 域名omUUID().toString();
            stringArray[i] = uuid;
            域名(域名ytes(域名8));
        }
    }

    @Benchmark
    public void byteToString(Blackhole bh) {
        for (byte[] bytes : byteList) {
            域名ume(new String(bytes, 域名8));
        }
    }

    @Benchmark
    public void stringToByte(Blackhole bh) {
        for (String s : stringArray) {
            域名ume(域名ytes(域名8));
        }
    }
}

测试结果：

# JMH version: 域名
# VM version: JDK 域名1, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM, 域名-b12

Benchmark                 (size)   Mode  Cnt     Score     Error  Units
域名ToString   10000  thrpt   25  域名 ± 域名  ops/s
域名ngToByte   10000  thrpt   25  域名 ±  域名  ops/s

# JMH version: 域名
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724

Benchmark                 (size)   Mode  Cnt     Score     Error  Units
域名ToString   10000  thrpt   25  域名 ±  域名  ops/s
域名ngToByte   10000  thrpt   25  域名 ± 域名  ops/s

可以看到在 bytes 转 String 操作上，Java 17 的性能是 Java 8 的 2.5 倍左右，而 String 转 bytes 操作，Java 17 的性能是 Java 8 的 5 倍。关于字符串的操作非常基础，随处可见，可见高版本的优势十分明显。

一如既往，当前文章中的代码示例都存放在域名/niumoo/JavaNotes.

参考

https://域名/posts/5-java-mundane-performance-tricks
https://域名/spring-projects/spring-framework/issues/26842
https://域名/spring-projects/spring-framework/commit/7f1062159ee9926d5abed7cadc2b36b6b7fc242e

可以微信搜一搜 程序猿阿朗 或访问 程序猿阿朗博客 。

本文域名/niumoo/JavaNotes 已经收录，有很多知识点和系列文章，欢迎Star。

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