文章持续更新，可以关注公众号 程序猿阿朗或访问 未读代码博客。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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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: 1.33（Java 基准测试框架）
- VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724
- 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 Enum.values() 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。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 0.75，也就是要设置的 size 值要除于 0.75。
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。
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://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 getHashMap() {
HashMap 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，负责因子 0.75，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 * 0.75 = 24 个元素，所以插入 14 个元素时是不需要扩容操作的。# JMH version: 1.33
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724Benchmark(keys)(size)ModeCntScoreErrorUnits
HashMapSize.getHashMap1416thrpt254825825.152 ± 323910.557ops/s
HashMapSize.getHashMap1432thrpt256556184.664 ± 711657.679ops/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://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 stringMap;
private Map 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])));
}
}
}测试结果：
# JMH version: 1.33
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724BenchmarkModeCntScoreErrorUnits
HashMapKey.pairMapthrpt2589295035.436 ± 6498403.173ops/s
HashMapKey.stringKeythrpt259410641.728 ±389850.653ops/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 Enum.values() 遍历 我们通常会使用
Enum.values() 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://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());
}
}
}运行结果
# JMH version: 1.33
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724BenchmarkModeCntScoreErrorUnits
EnumIteration.cacheEnumsthrpt2515623401.567 ± 2274962.772ops/s
EnumIteration.enumSetEnumthrpt258597188.662 ±610632.249ops/s
EnumIteration.valuesEnumthrpt2514713941.570 ±728955.826ops/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 Enum.values() 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 Enum.values() 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：
文章图片
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。【Java 中的5个代码性能提升技巧，最高提升近10倍】下面测试使用使用 Enum 作为 key，和使用 String 作为 key，在
map.get 操作下的性能差异。/**
* @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 的数量 */
private static int size = 10000;
/** 随机数种子 */
private static int seed = 99;
@State(Scope.Benchmark)
public static class EnumMapState {
private EnumMap 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 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));
}
}
}运行结果:
# JMH version: 1.33
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724BenchmarkModeCntScoreErrorUnits
EnumMapBenchmark.enumMapthrpt2522159.232 ± 1268.800ops/s
EnumMapBenchmark.hashMapthrpt2514528.555 ± 1323.610ops/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://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 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));
}
}
} 测试结果：
# JMH version: 1.33
# VM version: JDK 1.8.0_151, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM, 25.151-b12Benchmark(size)ModeCntScoreErrorUnits
StringInJdk.byteToString10000thrpt252396.713 ± 133.500ops/s
StringInJdk.stringToByte10000thrpt251745.060 ±16.945ops/s# JMH version: 1.33
# VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724Benchmark(size)ModeCntScoreErrorUnits
StringInJdk.byteToString10000thrpt255711.954 ±41.865ops/s
StringInJdk.stringToByte10000thrpt258595.895 ± 704.004ops/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 github.com/niumoo/JavaNotes.
参考
- https://richardstartin.github...
- https://github.com/spring-pro...
- https://github.com/spring-pro...
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本文 Github.com/niumoo/JavaNotes 已经收录，有很多知识点和系列文章，欢迎Star。
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