Java 中的五个代码性能提升技巧，最高提升近10倍

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: 1.33（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。

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

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。

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。

1. /**
2. * @author https://www.wdbyte.com
3. */
4. @State(Scope.Benchmark)
5. @Warmup(iterations = 3,time = 3)
6. @Measurement(iterations = 5,time = 3)
7. public class HashMapSize {
8. @Param({"14"})
9. int keys;
10. @Param({"16", "32"})
11. int size;
12. @Benchmark
13. public HashMap<Integer, Integer> getHashMap() {
14. HashMap<Integer, Integer> map = new HashMap<>(size);
15. for (int i = 0; i < keys; i++) {
16. map.put(i, i);
17. }
18. return map;
19. }
20. }

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。

1. # JMH version: 1.33
2. # VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724
3. Benchmark (keys) (size) Mode Cnt Score Error Units
4. HashMapSize.getHashMap 14 16 thrpt 25 4825825.152 ± 323910.557 ops/s
5. HashMapSize.getHashMap 14 32 thrpt 25 6556184.664 ± 711657.679 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。

1. /**
2. * @author https://www.wdbyte.com
3. */
4. @State(Scope.Benchmark)
5. @Warmup(iterations = 3, time = 3)
6. @Measurement(iterations = 5, time = 3)
7. public class HashMapKey {
8. private int size = 1024;
9. private Map<String, Object> stringMap;
10. private Map<Pair, Object> pairMap;
11. private String[] prefixes;
12. private String[] suffixes;
13. @Setup(Level.Trial)
14. public void setup() {
15. prefixes = new String[size];
16. suffixes = new String[size];
17. stringMap = new HashMap<>();
18. pairMap = new HashMap<>();
19. for (int i = 0; i < size; ++i) {
20. prefixes[i] = UUID.randomUUID().toString();
21. suffixes[i] = UUID.randomUUID().toString();
22. stringMap.put(prefixes[i] + ";" + suffixes[i], i);
23. // use new String to avoid reference equality speeding up the equals calls
24. pairMap.put(new MutablePair(prefixes[i], suffixes[i]), i);
25. }
26. }
27. @Benchmark
28. @OperationsPerInvocation(1024)
29. public void stringKey(Blackhole bh) {
30. for (int i = 0; i < prefixes.length; i++) {
31. bh.consume(stringMap.get(prefixes[i] + ";" + suffixes[i]));
32. }
33. }
34. @Benchmark
35. @OperationsPerInvocation(1024)
36. public void pairMap(Blackhole bh) {
37. for (int i = 0; i < prefixes.length; i++) {
38. bh.consume(pairMap.get(new MutablePair(prefixes[i], suffixes[i])));
39. }
40. }
41. }

测试结果：

1. # JMH version: 1.33
2. # VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724
3. Benchmark Mode Cnt Score Error Units
4. HashMapKey.pairMap thrpt 25 89295035.436 ± 6498403.173 ops/s
5. HashMapKey.stringKey thrpt 25 9410641.728 ± 389850.653 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 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。

1. /**
2. * 枚举类遍历测试
3. *
4. * @author https://www.wdbyte.com
5. */
6. @State(Scope.Benchmark)
7. @Warmup(iterations = 3, time = 3)
8. @Measurement(iterations = 5, time = 3)
9. @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
10. @OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
11. public class EnumIteration {
12. enum FourteenEnum {
13. a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n;
14. static final FourteenEnum[] VALUES;
15. static {
16. VALUES = values();
17. }
18. }
19. @Benchmark
20. public void valuesEnum(Blackhole bh) {
21. for (FourteenEnum value : FourteenEnum.values()) {
22. bh.consume(value.ordinal());
23. }
24. }
25. @Benchmark
26. public void enumSetEnum(Blackhole bh) {
27. for (FourteenEnum value : EnumSet.allOf(FourteenEnum.class)) {
28. bh.consume(value.ordinal());
29. }
30. }
31. @Benchmark
32. public void cacheEnums(Blackhole bh) {
33. for (FourteenEnum value : FourteenEnum.VALUES) {
34. bh.consume(value.ordinal());
35. }
36. }
37. }

运行结果

1. # JMH version: 1.33
2. # VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724
3. Benchmark Mode Cnt Score Error Units
4. EnumIteration.cacheEnums thrpt 25 15623401.567 ± 2274962.772 ops/s
5. EnumIteration.enumSetEnum thrpt 25 8597188.662 ± 610632.249 ops/s
6. EnumIteration.valuesEnum thrpt 25 14713941.570 ± 728955.826 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 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：

Spring Enum.values 改动

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 map.get 操作下的性能差异。

1. /**
2. * @author https://www.wdbyte.com
3. */
4. @State(Scope.Benchmark)
5. @Warmup(iterations = 3, time = 3)
6. @Measurement(iterations = 5, time = 3)
7. public class EnumMapBenchmark {
8. enum AnEnum {
9. a, b, c, d, e, f, g,
10. h, i, j, k, l, m, n,
11. o, p, q, r, s, t,
12. u, v, w, x, y, z;
13. }
14. /** 要查找的 key 的数量 */
15. private static int size = 10000;
16. /** 随机数种子 */
17. private static int seed = 99;
18. @State(Scope.Benchmark)
19. public static class EnumMapState {
20. private EnumMap<AnEnum, String> map;
21. private AnEnum[] values;
22. @Setup(Level.Trial)
23. public void setup() {
24. map = new EnumMap<>(AnEnum.class);
25. values = new AnEnum[size];
26. AnEnum[] enumValues = AnEnum.values();
27. SplittableRandom random = new SplittableRandom(seed);
28. for (int i = 0; i < size; i++) {
29. int nextInt = random.nextInt(0, Integer.MAX_VALUE);
30. values[i] = enumValues[nextInt % enumValues.length];
31. }
32. for (AnEnum value : enumValues) {
33. map.put(value, UUID.randomUUID().toString());
34. }
35. }
36. }
37. @State(Scope.Benchmark)
38. public static class HashMapState{
39. private HashMap<String, String> map;
40. private String[] values;
41. @Setup(Level.Trial)
42. public void setup() {
43. map = new HashMap<>();
44. values = new String[size];
45. AnEnum[] enumValues = AnEnum.values();
46. int pos = 0;
47. SplittableRandom random = new SplittableRandom(seed);
48. for (int i = 0; i < size; i++) {
49. int nextInt = random.nextInt(0, Integer.MAX_VALUE);
50. values[i] = enumValues[nextInt % enumValues.length].toString();
51. }
52. for (AnEnum value : enumValues) {
53. map.put(value.toString(), UUID.randomUUID().toString());
54. }
55. }
56. }
57. @Benchmark
58. public void enumMap(EnumMapState state, Blackhole bh) {
59. for (AnEnum value : state.values) {
60. bh.consume(state.map.get(value));
61. }
62. }
63. @Benchmark
64. public void hashMap(HashMapState state, Blackhole bh) {
65. for (String value : state.values) {
66. bh.consume(state.map.get(value));
67. }
68. }
69. }

运行结果:

1. # JMH version: 1.33
2. # VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724
3. Benchmark Mode Cnt Score Error Units
4. EnumMapBenchmark.enumMap thrpt 25 22159.232 ± 1268.800 ops/s
5. EnumMapBenchmark.hashMap thrpt 25 14528.555 ± 1323.610 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。

1. /**
2. * @author https://www.wdbyte.com
3. * @date 2021/12/23
4. */
5. @State(Scope.Benchmark)
6. @Warmup(iterations = 3, time = 3)
7. @Measurement(iterations = 5, time = 3)
8. public class StringInJdk {
9. @Param({"10000"})
10. private int size;
11. private String[] stringArray;
12. private List<byte[]> byteList;
13. @Setup(Level.Trial)
14. public void setup() {
15. byteList = new ArrayList<>(size);
16. stringArray = new String[size];
17. for (int i = 0; i < size; i++) {
18. String uuid = UUID.randomUUID().toString();
19. stringArray[i] = uuid;
20. byteList.add(uuid.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
21. }
22. }
23. @Benchmark
24. public void byteToString(Blackhole bh) {
25. for (byte[] bytes : byteList) {
26. bh.consume(new String(bytes, StandardCharsets.UTF_8));
27. }
28. }
29. @Benchmark
30.  
31. public void stringToByte(Blackhole bh) {
32. for (String s : stringArray) {
33. bh.consume(s.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));
34. }
35. }
36. }

测试结果：

1. # JMH version: 1.33
2. # VM version: JDK 1.8.0_151, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM, 25.151-b12
3. Benchmark (size) Mode Cnt Score Error Units
4. StringInJdk.byteToString 10000 thrpt 25 2396.713 ± 133.500 ops/s
5. StringInJdk.stringToByte 10000 thrpt 25 1745.060 ± 16.945 ops/s
6. # JMH version: 1.33
7. # VM version: JDK 17, OpenJDK 64-Bit Server VM, 17+35-2724
8. Benchmark (size) Mode Cnt Score Error Units
9. StringInJdk.byteToString 10000 thrpt 25 5711.954 ± 41.865 ops/s
10. StringInJdk.stringToByte 10000 thrpt 25 8595.895 ± 704.004 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。

原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/vSDzixX-Fi1T_0tKJeO8cA