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。

预先分配 HashMap 的大小，提高 1/4 的性能。
优化 HashMap 的 key，性能相差 9.5 倍。
不使用 Enum.values() 遍历，Spring 也曾如此优化。
使用 Enum 代替 String 常量，性能高出 1.5 倍。
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。

/**
* @author https://www.wdbyte.com
*/
@State(Scope.Benchmark)
@Warmup(iterations = 3,time = 3)
@Measurement(iterations = 5,time = 3)
public class HashMapSize {
@Param({"14"})
int keys;
@Param({"16", "32"})
int size;
@Benchmark
public HashMap<Integer, Integer> getHashMap() {
HashMap<Integer, Integer> map = new HashMap<>(size);
for (int i = 0; i < keys; i++) {
map.put(i, i);
}
return map;
}
}

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。

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

/**
* @author https://www.wdbyte.com
*/
@State(Scope.Benchmark)
@Warmup(iterations = 3, time = 3)
@Measurement(iterations = 5, time = 3)
public class HashMapKey {
private int size = 1024;
private Map<String, Object> stringMap;
private Map<Pair, Object> pairMap;
private String[] prefixes;
private String[] suffixes;
@Setup(Level.Trial)
public void setup() {
prefixes = new String[size];
suffixes = new String[size];
stringMap = new HashMap<>();
pairMap = new HashMap<>();
for (int i = 0; i < size; ++i) {
prefixes[i] = UUID.randomUUID().toString();
suffixes[i] = UUID.randomUUID().toString();
stringMap.put(prefixes[i] + ";" + suffixes[i], i);
// use new String to avoid reference equality speeding up the equals calls
pairMap.put(new MutablePair(prefixes[i], suffixes[i]), i);
}
}
@Benchmark
@OperationsPerInvocation(1024)
public void stringKey(Blackhole bh) {
for (int i = 0; i < prefixes.length; i++) {
bh.consume(stringMap.get(prefixes[i] + ";" + suffixes[i]));
}
}
@Benchmark
@OperationsPerInvocation(1024)
public void pairMap(Blackhole bh) {
for (int i = 0; i < prefixes.length; i++) {
bh.consume(pairMap.get(new MutablePair(prefixes[i], suffixes[i])));
}
}
}

测试结果：

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

/**
* 枚举类遍历测试
*
* @author https://www.wdbyte.com
*/
@State(Scope.Benchmark)
@Warmup(iterations = 3, time = 3)
@Measurement(iterations = 5, time = 3)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
public class EnumIteration {
enum FourteenEnum {
a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m,n;
static final FourteenEnum[] VALUES;
static {
VALUES = values();
}
}
@Benchmark
public void valuesEnum(Blackhole bh) {
for (FourteenEnum value : FourteenEnum.values()) {
bh.consume(value.ordinal());
}
}
@Benchmark
public void enumSetEnum(Blackhole bh) {
for (FourteenEnum value : EnumSet.allOf(FourteenEnum.class)) {
bh.consume(value.ordinal());
}
}
@Benchmark
public void cacheEnums(Blackhole bh) {
for (FourteenEnum value : FourteenEnum.VALUES) {
bh.consume(value.ordinal());
}
}
}

运行结果

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

Java 中的五个代码性能提升技巧，最高提升近10倍