Java for循环优化

Question

我用java for循环进行了一些运行时测试,并发现了一个奇怪的行为.对于我的代码,我需要原始类型的包装器对象,如int,double等,以模拟io和输出参数,但这不是重点.只需看我的代码.具有字段访问权限的对象如何比原始类型更快？

for 具有prtimitive类型的循环:

public static void main(String[] args) {
    double max = 1000;
    for (int j = 1; j < 8; j++) {
        double i;
        max = max * 10;
        long start = System.nanoTime();
        for (i = 0; i < max; i++) {
        }
        long end = System.nanoTime();
        long microseconds = (end - start) / 1000;
        System.out.println("MicroTime primitive(max: ="+max + "): " + microseconds);
    }
}

结果:

MicroTime原语(max:= 10000.0):110
MicroTime原语(max:= 100000.0):1081
MicroTime原语(max:=
1000000.0 ):2450 MicroTime原语(max:= 1.0E7):28248
MicroTime原语(max:= 1.0E8) :276205
MicroTime原语(最大值:= 1.0E9):2729824
MicroTime原语(最大值:= 1.0E10):27547009

for 循环使用简单类型(包装器对象):

public static void main(String[] args) {
    HDouble max = new HDouble();
    max.value = 1000;
    for (int j = 1; j < 8; j++) {
        HDouble i = new HDouble();
        max.value = max.value*10;
        long start = System.nanoTime();
        for (i.value = 0; i.value <max.value; i.value++) {
        }
        long end = System.nanoTime();
        long microseconds = (end - start) / 1000;
        System.out.println("MicroTime wrapper(max: ="+max.value + "): " + microseconds);
    }
}

结果:

MicroTime包装器(最大值:= 10000.0):157
MicroTime包装器(最大值:= 100000.0):1561
MicroTime包装器(最大值:=
1000000.0 ):3174 MicroTime包装器(最大值:= 1.0E7):15630
MicroTime包装器(最大值:= 1.0E8) :155471
MicroTime包装器(最大值:= 1.0E9):1520967
MicroTime包装器(最大值:= 1.0E10):15373311

迭代次数越多,第二个代码就越快.但为什么？我知道java编译器和jvm正在优化我的代码,但我从未想过原始类型可能比具有字段访问权限的对象慢.
有人有合理的解释吗？

编辑:HDouble类:

public class HDouble {
    public double value;

    public HDouble() {
    }

    public HDouble(double value) {
        this.value = value;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return String.valueOf(value);
    }
}

我还用代码测试了我的循环.例如,我计算总和 - >相同的行为(差异不是那么大,但我认为原始算法必须更快？).首先我想,计算需要那么长时间,现场访问几乎没有差别.

包装for循环:

for (i.value = 0; i.value <max.value; i.value++) {
    sum.value = sum.value + i.value;
}

结果:

MicroTime包装器(最大值:= 10000.0):243
MicroTime包装器(最大值:= 100000.0):2805
MicroTime包装器(最大值:=
1000000.0 ):3409 MicroTime包装器(最大值:= 1.0E7):28104
MicroTime包装器(最大值:= 1.0E8) :278432
MicroTime包装器(最大值:= 1.0E9):2678322
MicroTime包装器(最大值:= 1.0E10):26665540

原始for循环:

for (i = 0; i < max; i++) {
    sum = sum + i;
}

结果:

MicroTime原语(max:= 10000.0):149
MicroTime原语(max:= 100000.0):1996
MicroTime原语(max:=
1000000.0 ):2289 MicroTime原语(max:= 1.0E7):27085
MicroTime原语(max:= 1.0E8) :
279939 MicroTime原语(最大值:= 1.0E9):2759133
MicroTime原语(最大值:= 1.0E10):27369724

Answer 1

手工制作的微基准测试很容易被愚弄 - 你永远不知道他们实际测量的是什么.这就是为什么有像JMH这样的特殊工具.但是让我们分析一下原始的手工制作基准会发生什么:

static class HDouble {
    double value;
}

public static void main(String[] args) {
    primitive();
    wrapper();
}

public static void primitive() {
    long start = System.nanoTime();
    for (double d = 0; d < 1000000000; d++) {
    }
    long end = System.nanoTime();
    System.out.printf("Primitive: %.3f s\n", (end - start) / 1e9);
}

public static void wrapper() {
    HDouble d = new HDouble();
    long start = System.nanoTime();
    for (d.value = 0; d.value < 1000000000; d.value++) {
    }
    long end = System.nanoTime();
    System.out.printf("Wrapper:   %.3f s\n", (end - start) / 1e9);
}

结果与您的结果有些相似:

Primitive: 3.618 s
Wrapper:   1.380 s

现在重复几次测试:

public static void main(String[] args) {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        primitive();
        wrapper();
    }
}

它变得更有趣:

Primitive: 3.661 s
Wrapper:   1.382 s
Primitive: 3.461 s
Wrapper:   1.380 s
Primitive: 1.376 s <-- starting from 3rd iteration
Wrapper:   1.381 s <-- the timings become equal
Primitive: 1.371 s
Wrapper:   1.372 s
Primitive: 1.379 s
Wrapper:   1.378 s

看起来两种方法最终都得到了优化.再次运行它,现在使用日志记录JIT编译器活动: -XX:-TieredCompilation -XX:CompileOnly=Test -XX:+PrintCompilation

    136    1 %           Test::primitive @ 6 (53 bytes)
   3725    1 %           Test::primitive @ -2 (53 bytes)   made not entrant
Primitive: 3.589 s
   3748    2 %           Test::wrapper @ 17 (73 bytes)
   5122    2 %           Test::wrapper @ -2 (73 bytes)   made not entrant
Wrapper:   1.374 s
   5122    3             Test::primitive (53 bytes)
   5124    4 %           Test::primitive @ 6 (53 bytes)
Primitive: 3.421 s
   8544    5             Test::wrapper (73 bytes)
   8547    6 %           Test::wrapper @ 17 (73 bytes)
Wrapper:   1.378 s
Primitive: 1.372 s
Wrapper:   1.375 s
Primitive: 1.378 s
Wrapper:   1.373 s
Primitive: 1.375 s
Wrapper:   1.378 s

注意%在第一次迭代时签署编译日志.这意味着这些方法是在OSR (堆栈内替换)模式下编译的.在第二次迭代期间,方法在正常模式下重新编译.从那时起,从第三次迭代开始,原语和包装器在执行速度上没有区别.

您实际测量的是OSR存根的性能.它通常与应用程序的实际性能无关,您不应该太在意它.

但问题仍然存在,为什么包装器的OSR存根编译得比原始变量好？要找到这个,我们需要了解生成的汇编代码:
-XX:CompileOnly=Test -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly

我将省略所有不相关的代码,只留下编译循环.

原始:

0x00000000023e90d0: vmovsd 0x28(%rsp),%xmm1      <-- load double from the stack
0x00000000023e90d6: vaddsd -0x7e(%rip),%xmm1,%xmm1
0x00000000023e90de: test   %eax,-0x21f90e4(%rip)
0x00000000023e90e4: vmovsd %xmm1,0x28(%rsp)      <-- store to the stack
0x00000000023e90ea: vucomisd 0x28(%rsp),%xmm0    <-- compare with the stack value
0x00000000023e90f0: ja     0x00000000023e90d0

包装:

0x00000000023ebe90: vaddsd -0x78(%rip),%xmm0,%xmm0
0x00000000023ebe98: vmovsd %xmm0,0x10(%rbx)      <-- store to the object field
0x00000000023ebe9d: test   %eax,-0x21fbea3(%rip)
0x00000000023ebea3: vucomisd %xmm0,%xmm1         <-- compare registers
0x00000000023ebea7: ja     0x00000000023ebe90

正如您所看到的,"原始"情况会在堆栈位置进行大量加载和存储,而"包装器"主要进行寄存器操作.OSR存根引用堆栈的原因是可以理解的:在解释模式下,局部变量存储在堆栈中,并且OSR存根与此解释帧兼容.在"包装器"的情况下,值存储在堆上,对象的引用已经缓存在寄存器中.