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Java性能优化-字符串和数字构造

发布时间:2019-07-03 03:11 来源:未知 编辑:admin

  本博客来自我的新书Java性能优化(暂定名),第二章的节选2.1和2.2,2.10. 也欢迎购买我的书 《Spring Boot 2 精髓 》

  字符串在Java里是不可变的,无论是构造,还是截取,得到的总是一个新字符串。看一下构造一个字符串源码

  原有的字符串的value数组直接通过引用赋值给新的字符串value,也就是俩个字符串共享一个char数组,因此这种构造方法有着最快的构造。Java里的String对象被设计为不可变。意思是指一旦程序获得了字符串对象引用,不必担心这个字符串在别的地方被修改,不可变意味着线程安全,在第三章对不可变对象线程安全性又说明。

  构造字符串更多的情况构造字符串是通过一个字符串数组,或者在某些框架的反序列化,使用byte[] 来构造字符串,这种情况下性能会非常低。 如下是通过char[]数组构造一个新的字符串源码

  可以看到通过数组构造字符串实际上是会创建一个新的字符串数组。如果不这样,还是直接引用char数组,那么外部如果更改char数组,则这个新的字符串就被改变了。

  上面的代码最后一行,修改了cs数组,但不会影响str。因为str实际上是新的字符串数组构成

  通过char数组构造新的字符串是最长用的方法,我们后面看到几乎每个字符串API,都会调用这个方法构造新的字符串,比如subString,concat等方法。如下代码验证了通过字符串构造新的字符串,以及使用char数组构造字符串性能比较

  输出按照ns/op来输出,既每次调用所用的纳秒数,可以看到通过char构造字符串还是先当耗时的,特别如果是数组特别长,那更加耗时

  通过字节构造字符串,是一种非常常见的情况,尤其现在分布式和微服务流行,字符串在客户端序列化成字节数组,并发送给你给服务器端,服务器端会有一个反序列化,通过byte构造字符串

  测试结果可以看到byte构造字符串太耗时了,尤其是当要构造的字符串非常长的时候

  通过字节数组构造字符串,主要涉及到转码过程,内部会调用 StringCoding.decode转码

  实际负责转码的是Charset子类,比如sun.nio.cs.UTF_8的decode方法负责实现字节转码,如果在深入到这个类,你会发现,你看到的是冰上一角,冰上下面这是一个相当耗CPU计算转码的工作,属于无法优化的部分.

  在我多次的系统性能优化过程中,都会发现通过字节数据组构造字符串总是排在消耗CPU比较靠前的位置,转码消耗的系统性能抵得上百行的业务代码。 因此我们系统在设计到分布式的,需要仔细设计需要传输的字段,尽量避免用String。比如时间可以用long类型来表示,业务状态也可以用int来表示。如下需要序列化的对象

  关于在微服务中,序列化和反序列化传输对象,会在第四章和五章再次介绍对象的序列化

  JDK会自动将使用+号做的字符串拼接自动转化为StringBuilder,如下代码:

  如果你运行JMH测试这俩段代码,性能其实一样的,因为使用+连接字符串是一个常见操作,虚拟机对如上俩个代码片段都会做一些优化,虚拟使用-XX:+OptimizeStringConcat 打开字符串拼接优化,(默认情况下是打开的)。 如果采用以下代码,虽然看是跟上面的代码片段差不多,但虚拟机无法识别这种字符串拼接模式,性能会下降很多

  这里说的JVM优化,指的是虚拟机JIT优化,我们会在第8章JIT优化说明

  几乎所有场景字符串拼接都不涉及到线程同步,因此StringBuffer已经很少使用了,如上的字符串拼接例子使用StringBuffer,

  可以看到,StringBuffer拼接性能跟StringBuilder相比性能并不差,这得益于虚拟机的逃逸分析,也就是JIT在打开逃逸分析情况以及锁消除的情况下,有可能消除该对象上的使用synchronzied限定的锁。

  如下是一个锁消除的例子,对象obj只在方法内部使用,因此可以消除synchronized

  程序不应该依赖JIT的优化,尽管打开了逃逸分析和锁消除,但不能保证所有代码都会被优化,因为锁消除是在JIT的C2阶段优化的,作为程序员,应该在无关线程安全情况下,使用StringBuilder。

  使用StringBuilder 拼接其他类型,尤其是数字类型,则性能会明显下降,这是因为数字类型转字符在JDK内部,需要做很多工作,一个简单的Int类型转为字符串,需要至少50行代码完成。我们在第一章已经看到过了,这里不再详细说明。当你用StringBuilder来拼接字符串,拼接数字的时候,你需要思考,是否需要一个这样的字符串。

  可以看到在Java中进行浮点数运算的时候,会出现丢失精度的问题。那么我们如果在进行商品价格计算的时候,就会出现问题。很有可能造成我们手中有0.06元,却无法购买一个0.05元和一个0.01元的商品。因为如上所示,他们两个的总和为0.005。这无疑是一个很严重的问题,尤其是当电商网站的并发量上去的时候,出现的问题将是巨大的。可能会导致无法下单,或者对账出现问题。

  通常有俩个方法来解决这种问题,如果能用long来表示账户余额以分为单位,这是效率最高的。如果不能,则只能使用BigDecimal类来解决这类问题。

  通过字符串来构造BigDecimal,才能保证精度不丢失,如果使用new BigDecimal(0.05),则因为0.05本身精度丢失,使得构造出来的BigDecimal也丢失精度。

  BigDecimal能保证精度,但计算会有一定性能影响,如下是测试余额计算,用long表示分,用BigDecimal表示元的性能对比

  所以在项目里,如果涉及精度结算,不要使用double,可以考虑用BigDecmal,也可以使用long来完成精度计算,具有良好的性能,分布式或者微服务场景,考虑到序列化和反序列化,long也是能被所有序列化框架识别的

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