性能调优 -- Java编程中的性能优化

Posted 2020-11-16 iamyzh

　　String作为我们使用最频繁的一种对象类型，其性能问题是最容易被忽略的。作为Java中重要的数据类型，是内存中占据空间比较大的一个对象。如何高效地使用字符串，可以帮助我们提升系统的整体性能。

　　现在，我们就从String对象的实现、特性以及实际使用中的优化这几方面来入手，深入理解以下String的性能优化。

　　在这之前，首先看一个问题。通过三种方式创建三个对象，然后依次两两匹配，得出的结果是什么？答案留到最后揭晓。

1 String str1 = "abc";
2 String str2 = new String("abc");
3 String str3 = str2.intern();
4 System.out.println(str1 == str2);
5 System.out.println(str2 == str3);
6 System.out.println(str1 == str3);

　　

　　String对象是如何实现的？

　　Java中对String对象做了大量的优化，以此来节约内存空间，提升String对象的性能。下图是Java6 -> Java9 String对象属性的变化：

　　

　　可以看到，String的属性有了以下的变化：

• 在Java6及以前的版本中，String对象是对char数组进行了封装实现的对象，主要有：char数组、偏移量offset、字符数量count、哈希值hash。String对象通过offset和count属性来定位char数组，获取字符串。这样做可以高效快速地共享数组对象，能节省内存空间，但容易出现内存泄漏。
• 从Java7到Java8版本，Java对String做了一些改变。String类中不再有offset和count两个属性了。这样做可以使String对象占用的内存减少，并且String.substring方法也不再共享char[]，解决了可能出现的内存泄漏的问题。
• 从Java9版本开始，将char[]改成了byte[]，并增加了新属性coder，coder是一个编码格式的标识。

 

　　为什么要这么改呢？

　　我们知道，一个char字符占16位，2个字节。这种情况下存储单字节的字符就很容易浪费了。JDK1.9的String类为了节省内存空间，就使用了占8位，1个字节的byte数组来存储字符串。

　　coder属性的作用是：在计算字符串长度或者使用indexOf()时，需要根据这个字段，判断如何计算字符串的长度。coder属性值默认有0和1两个值，0代表Latin-1(单字节编码)，1代表UTF-16。如果String判断字符串只包含Latin-1，则coder值取0，反之为1。

 

　　String对象的不可变性

　　如果看过String的源码，就会发现，String类是被final关键字修饰的，且变量char数组也被final修饰。

　　一个类被final修饰代表着该类不可继承，char[]被private和final修饰着，代表String对象不可被更改。这就叫做String对象的不可变性。即如果String对象一旦创建成功了，就不能再对它进行改变。

 

　　这样做的好处在哪里？　　

　　第一、保证了String对象的安全性。假设String对象是可变的，那么String对象就会被恶意修改。

　　第二.、保证hash属性值不会频繁变更，确保了唯一性。使得类似HashMap容器才能实现相应的key-value缓存功能。

　　第三、可以实现字符串常量池。Java中，通常有2种创建字符串对象的方式，一种是通过字符串常量的方式创建，如String str = "abc"；另一种是字符串常量通过new形式的创建，如String str = new String("abc")。

　　当代码中使用第一种方式创建字符串对象时，JVM首先检查该对象是否在字符串常量池中，如果在就返回该对象的引用，否则新的字符串将在常量池中创建。这种方式可以减少同一个值的字符串对象的重复创建，节约内存。

　　第二种方式，首先在编译类文件时，"abc"常量字符串将会放入到常量结构中，在类加载时，"abc"会在常量池中创建；然后调用new时，JVM命令将会调用String的构造函数，同时引用常量池的"abc"字符串，在堆内存中创建一个String对象，最后str引用String对象。

　　

　　String对象的优化

　　1.如何构建超大字符串

　　编程过程中字符串的拼接很常见。如果使用String对象相加，拼接我们想要的字符串，会不会产生多个对象呢？比如说以下代码：

String str = "ab" + "cd" + "ef";

　　分析代码可知：首先会生成ab对象，再生成abcd对象，最后生成abcdef对象。理论上说，代码很低效。

　　但实际上，会发现只有一个对象生成，这是为什么呢？编译时编译器会自动帮我们优化代码，使得最后只得出一个对象“abcdef”。

　　再来看看，如果进行字符串常量的累计，又会出现什么结果？

String str = "abcdef";
for (int i = 0; i < 100; i++) {
     str = str + i;
 }

　　上面的代码编译后，编译器同样对代码进行了优化，在进行字符串拼接时，偏向使用StringBuilder，这样可以提升效率。上面的代码变成了下面这样：

String str = "abcdef";
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    str = (new StringBuilder(String.valueOf(str))).append(i).toString();
}

　　总结：即使使用+号作为字符串的拼接，一样可以被编译器优化成StringBuilder的方式。但如果每次循环都生成一个新的StringBuilder实例，同样会降低系统的性能。所以平时做字符串拼接的时候，建议还是显示使用StringBuilder来提升性能。在多线程编程时，String对象的拼接涉及到了线程安全，可以使用StringBuffer。但由于StringBuffer是线程安全的，涉及到锁竞争，所以就性能上来说会比StringBuilder差些。

　　2.如何使用String.intern节省内存？

　　对于一些数据，数据量非常大，但同时又有大部分重合的，该如何处理呢？

　　具体做法是，每次赋值的时候使用String的intern方法，如果常量池中有相同值，就会重复使用该对象，返回对象的引用，这样一开始的对象就可以被回收掉了，这样的话数据量就会大幅度降低了。

　　我们再来看一个例子：

String a = new String("abc").intern();
String b = new String("abc").intern(); 
if (a == b) {
     System.out.println("a == b");
}

　　输出结果是： a == b

　　在字符串常量池中，默认会将对象放入常量池；在字符串变量中，对象总是创建在堆内存的，同时也会在常量池中创建一个字符串对象，复制到堆内存对象中，并返回堆内存对象引用。

　　如果调用intern方法，会去查看字符串常量池中是否有等于该对象的字符串，如果没有，就会在常量池中新增该对象，并返回该对象引用；如果有则返回常量池中的字符串引用。堆内存中原有的对象由于没有引用指向它，将会通过垃圾回收器回收。

　　3.如何使用字符串的分割方法？

　　spilt()方法使用了正则表达式实现了强大的分割功能，而正则表达式的性能是非常不稳定的，使用不当会引起回溯问题，很可能导致CPU居高不下。

　　所以要慎重使用spilt方法，我们可以用String.indexOf()方法代替spilt()方法完成字符串的分割，如果实在无法满足需求，就在使用spilt方法时，对回溯问题加以重视就可以了。

 

　　总结

　　通过上面的叙述，我们认识到了做好String字符串性能的优化，可以提升整个系统的性能。在这个理论基础上，Java版本在迭代中不断更改成员变量，节约内存空间，对String性能进行了优化。

　　我们还提到了String对象的不可变性，正是这个特性实现了字符串常量池，通过减少同一个值的字符串对象的重复创建，进一步节约内存。也是因为这个特性，我们在做长字符串的拼接时，需要显示使用StringBuilder，以提升字符串的拼接性能。最后在优化方面，我们还可以使用intern方法，让变量字符串对象重复使用常量池中相同值的对象，进而节约内存。

　　最后，公布上面那道题的结果：

　　false、false、true。

　　其中， String str1 = “abc”；通过字面量的方式创建，abc存储于字符串常量池中；

　　String str2 = new String("abc")；通过new对象的方式创建字符串对象，引用地址存放在堆内存中，abc则存放在字符串常量池中，所以为false；

　　String str3 = str2.intern()；由于调用了intern()方法，会返回常量池中的数据，str3此时就指向常量池中的abc，和str1的方式一样，所以为true；