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Java中尽可能使用堆栈变量


 

  如果您频繁存取变量,就需要考虑从何处存取这些变量。变量是 static 变量,还是堆栈变量,或者是类的实例变量?变量的存储位置对存取它的代码的性能有明显的影响?例如,请考虑下面这段代码:

  class StackVars

  {

  private int instVar;

  private static int staticVar;

  //存取堆栈变量

  void stackAccess(int val)

  {

  int j=0;

  for (int i=0; i

  j += 1;

  }

  //存取类的实例变量

  void instanceAccess(int val)

  {

  for (int i=0; i

  instVar += 1;

  }

  //存取类的 static 变量

  void staticAccess(int val)

  {

  for (int i=0; i

  staticVar += 1;

  }

  }

  这段代码中的每个方法都执行相同的循环,并反复相同的次数。唯一的不同是每个循环使一个不同类型的变量递增。方法 stackAccess 使一个局部堆栈变量递增,instanceAccess 使类的一个实例变量递增,而 staticAccess 使类的一个 static 变量递增。

  instanceAccess 和 staticAccess 的执行时间基本相同。但是,stackAccess 要快两到三倍。存取堆栈变量如此快是因为,JVM 存取堆栈变量比它存取 static 变量或类的实例变量执行的操作少。请看一下为这三个方法生成的字节码:

  Method void stackAccess(int)

  0 iconst_0 //将 0 压入堆栈。

  1 istore_2 //弹出 0 并将它存储在局部分变量表中索引为 2 的位置 (j)。

  2 iconst_0 //压入 0。

  3 istore_3 //弹出 0 并将它存储在局部变量表中索引为 3 的位置 (i)。

  4 goto 13 //跳至位置 13。

  7 iinc 2 1 //将存储在索引 2 处的 j 加 1。

  10 iinc 3 1 //将存储在索引 3 处的 i 加 1。

  13 iload_3 //压入索引 3 处的值 (i)。

  14 iload_1 //压入索引 1 处的值 (val)。

  15 if_icmplt 7 //弹出 i 和 val。如果 i 小于 val,则跳至位置 7。

  18 return //返回调用方法。

  Method void instanceAccess(int)

  0 iconst_0 //将 0 压入堆栈。

  1 istore_2 //弹出 0 并将它存储在局部变量表中索引为 2 的位置 (i)。

  2 goto 18 //跳至位置 18。

  5 aload_0 //压入索引 0 (this)。

  6 dup //复制堆栈顶的值并将它压入。

  7 getfield #19

  //弹出 this 对象引用并压入 instVar 的值。

  10 iconst_1 //压入 1。

  11 iadd //弹出栈顶的两个值,并压入它们的和。

  12 putfield #19

  //弹出栈顶的两个值并将和存储在 instVar 中。

  15 iinc 2 1 //将存储在索引 2 处的 i 加 1。

  18 iload_2 //压入索引 2 处的值 (i)。

  19 iload_1 //压入索引 1 处的值 (val)。

  20 if_icmplt 5 //弹出 i 和 val。如果 i 小于 val,则跳至位置 5。

  23 return //返回调用方法。

  Method void staticAccess(int)

  0 iconst_0 //将 0 压入堆栈。

  1 istore_2 //弹出 0 并将它存储在局部变量表中索引为 2 的位置 (i)。

  2 goto 16 //跳至位置 16。

  5 getstatic #25

  //将常数存储池中 staticVar 的值压入堆栈。

  8 iconst_1 //压入 1。

  9 iadd //弹出栈顶的两个值,并压入它们的和。

  10 putstatic #25

  //弹出和的值并将它存储在 staticVar 中。

  13 iinc 2 1 //将存储在索引 2 处的 i 加 1。

  16 iload_2 //压入索引 2 处的值 (i)。

  17 iload_1 //压入索引 1 处的值 (val)。

  18 if_icmplt 5 //弹出 i 和 val。如果 i 小于 val,则跳至位置 5。

  21 return //返回调用方法。

  查看字节码揭示了堆栈变量效率更高的原因。JVM 是一种基于堆栈的虚拟机,因此优化了对堆栈数据的存取和处理。所有局部变量都存储在一个局部变量表中,在 Java 操作数堆栈中进行处理,并可被高效地存取。存取 static 变量和实例变量成本更高,因为 JVM 必须使用代价更高的操作码,并从常数存储池中存取它们。(常数存储池保存一个类型所使用的所有类型、字段和方法的符号引用。)

  通常,在第一次从常数存储池中访问 static 变量或实例变量以后,JVM 将动态更改字节码以使用效率更高的操作码。尽管有这种优化,堆栈变量的存取仍然更快。

  考虑到这些事实,就可以重新构建前面的代码,以便通过存取堆栈变量而不是实例变量或 static 变量使操作更高效。请考虑修改后的代码:

  class StackVars

  {

  //与前面相同...

  void instanceAccess(int val)

  {

  int j = instVar;

  for (int i=0; i

  j += 1;

  instVar = j;

  }

  void staticAccess(int val)

  {

  int j = staticVar;

  for (int i=0; i

  j += 1;

  staticVar = j;

  }

  }

  方法 instanceAccess 和 staticAccess 被修改为将它们的实例变量或 static 变量复制到局部堆栈变量中。当变量的处理完成以后,其值又被复制回实例变量或 static 变量中。这种简单的更改明显提高了 instanceAccess 和 staticAccess 的性能。这三个方法的执行时间现在基本相同,instanceAccess 和 staticAccess 的执行速度只比 stackAccess 的执行速度慢大约 4%。

  这并不表示您应该避免使用 static 变量或实例变量。您应该使用对您的设计有意义的存储机制。例如,如果您在一个循环中存取 static 变量或实例变量,则您可以临时将它们存储在一个局部堆栈变量中,这样就可以明显地提高代码的性能。这将提供最高效的字节码指令序列供 JVM 执行。