Java for 循环优化

Question

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

for 原始类型循环：

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

for 简单类型循环（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 wrapper(max: =10000.0): 157
MicroTime wrapper(max: =100000.0): 1561
MicroTime wrapper(max: =1000000.0): 3174
MicroTime wrapper(max: =1.0E7): 15630
MicroTime wrapper(max: =1.0E8): 155471
MicroTime wrapper(max: =1.0E9): 1520967
MicroTime wrapper(max: =1.0E10): 15373311

迭代次数越多，第二个代码越快。但为什么？我知道 java-编译器和 jvm 正在优化我的代码，但我从没想过原始类型会比具有字段访问权限的对象慢。
有人对此有合理的解释吗？

已编辑： H双class:

public class HDouble {
    public double value;

    public HDouble() {
    }

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

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

我还用其中的代码测试了我的循环。例如，我计算总和 -> 相同的行为（差异不是很大，但我认为原始算法必须快得多？）。一开始我以为，计算时间那么长，字段访问几乎没有区别。

循环包装器：

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

结果：

MicroTime wrapper(max: =10000.0): 243
MicroTime wrapper(max: =100000.0): 2805
MicroTime wrapper(max: =1000000.0): 3409
MicroTime wrapper(max: =1.0E7): 28104
MicroTime wrapper(max: =1.0E8): 278432
MicroTime wrapper(max: =1.0E9): 2678322
MicroTime wrapper(max: =1.0E10): 26665540

原始for循环：

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

结果：

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

Answer 1

很容易被手工制作的微基准测试所愚弄 - 您永远不知道它们实际上 衡量的是什么。这就是为什么有像 JMH 这样的特殊工具的原因。但是让我们分析一下原始手工基准测试发生了什么：

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);
}

结果和你的有些相似：

Primitive: 3.618 s
Wrapper:   1.380 s

现在重复测试几次：

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

变得更有趣了：

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

看起来这两种方法最终都得到了优化。运行再一次，现在使用日志记录 JIT 编译器 activity： -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 % 在第一次迭代时登录编译日志。这意味着这些方法是在 OSR (on-stack replacement) 模式下编译的。在第二次迭代期间，这些方法在正常模式下重新编译。此后，从第三次迭代开始，primitive和wrapper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 存根比原始变量的编译更好？为了找出这一点，我们需要深入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，只留下已编译的循环。

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

包装器：

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

如您所见，'primitive' 情况对堆栈位置进行了多次加载和存储，而 'wrapper' 主要执行寄存器内操作。 OSR stub 指的是栈是很好理解的：在解释模式下，局部变量存储在栈中，OSR stub 与这个解释框架兼容。在 'wrapper' 的情况下，值存储在堆上，并且对对象的引用已经缓存在寄存器中。

Java for 循环优化

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