提升Java字符串编码解码性能的技巧(1)
1.常见字符串编码
常见的字符串编码有:
·LATIN1 只能保存ASCII字符,又称ISO-8859-1。
· UTF-8 变长字节编码,一个字符需要使用1个、2个或者3个byte表示。由于中文通常需要3个字节表示,中文场景UTF-8编码通常需要更多的空间,替代的方案是GBK/GB2312/GB18030。
· UTF-16 2个字节,一个字符需要使用2个byte表示,又称UCS-2 (2-byte Universal Character Set)。根据大小端的区分,UTF-16有两种形式,UTF-16BE和UTF-16LE,缺省UTF-16指UTF-16BE。Java语言中的char是UTF-16LE编码。
· GB18030 变长字节编码,一个字符需要使用1个、2个或者3个byte表示。类似UTF8,中文只需要2个字符,表示中文更省字节大小,缺点是在国际上不通用。
为了计算方便,内存中字符串通常使用等宽字符,Java语言中char和.NET中的char都是使用UTF-16。早期Windows-NT只支持UTF-16。
2.编码转换性能
UTF-16和UTF-8之间转换比较复杂,通常性能较差。
如下是一个将UTF-16转换为UTF-8编码的实现,可以看出算法比较复杂,所以性能较差,这个操作也无法使用vector API做优化。
static int encodeUTF8(char[] utf16, int off, int len, byte[] dest, int dp) {
int sl = off + len, last_offset = sl - 1;
while (off < sl) {
char c = utf16[off++];
if (c < 0x80) {
// Have at most seven bits
dest[dp++] = (byte) c;
} else if (c < 0x800) {
// 2 dest, 11 bits
dest[dp++] = (byte) (0xc0 | (c >> 6));
dest[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f));
} else if (c >= '\uD800' && c < '\uE000') {
int uc;
if (c < '\uDC00') {
if (off > last_offset) {
dest[dp++] = (byte) '?';
return dp;
}
char d = utf16[off];
if (d >= '\uDC00' && d < '\uE000') {
uc = (c << 10) + d + 0xfca02400;
} else {
throw new RuntimeException("encodeUTF8 error", new MalformedInputException(1));
}
} else {
uc = c;
}
dest[dp++] = (byte) (0xf0 | ((uc >> 18)));
dest[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 12) & 0x3f));
dest[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 6) & 0x3f));
dest[dp++] = (byte) (0x80 | (uc & 0x3f));
off++; // 2 utf16
} else {
// 3 dest, 16 bits
dest[dp++] = (byte) (0xe0 | ((c >> 12)));
dest[dp++] = (byte) (0x80 | ((c >> 6) & 0x3f));
dest[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f));
}
}
return dp;
}
相关代码地址 。
由于Java中char是UTF-16LE编码,如果需要将char[]转换为UTF-16LE编码的byte[]时,可以使用sun.misc.Unsafe#copyMemory方法快速拷贝。比如:
static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) {
UNSAFE.copyMemory(chars
, CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2
, dest
, BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp
, len * 2
);
dp += len * 2;
return dp;
}
3.Java String的编码
不同版本的JDK String的实现不一样,从而导致有不同的性能表现。char是UTF-16编码,但String在JDK 9之后内部可以有LATIN1编码。
3.1. JDK 6之前的String实现
static class String {
final char[] value;
final int offset;
final int count;
}
在Java 6之前,String.subString方法产生的String对象和原来String对象共用一个char[] value,这会导致subString方法返回的String的char[]被引用而无法被GC回收。于是使得很多库都会针对JDK 6及以下版本避免使用subString方法。
3.2. JDK 7/8的String实现
static class String {
final char[] value;
}
JDK 7之后,字符串去掉了offset和count字段,value.length就是原来的count。这避免了subString引用大char[]的问题,优化也更容易,从而JDK7/8中的String操作性能比Java 6有较大提升。
3.3. JDK 9/10/11的实现
static class String {
final byte code;
final byte[] value;
static final byte LATIN1 = 0;
static final byte UTF16 = 1;
}
JDK 9之后,value类型从char[]变成byte[],增加了一个字段code,如果字符全部是ASCII字符,使用value使用LATIN编码;如果存在任何一个非ASCII字符,则用UTF16编码。这种混合编码的方式,使得英文场景占更少的内存。缺点是导致Java 9的String API性能可能不如JDK 8,特别是传入char[]构造字符串,会被做压缩为latin编码的byte[],有些场景会下降10%。
4.快速构造字符串的方法
为了实现字符串是不可变特性,构造字符串的时候,会有拷贝的过程,如果要提升构造字符串的开销,就要避免这样的拷贝。
比如如下是JDK8的String的一个构造函数的实现;
public final class String {
public String(char value[]) {
this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
}
}
快速构造字符的方法有三种:
·使用MethodHandles.Lookup &LambdaMetafactory绑定反射;
· 使用JavaLangAccess的相关方法;
· 使用Unsafe直接构造。
这三种方法,1和2性能差不多,3比1和2略慢,但都比直接new字符串要快得多。JDK8使用JMH测试的数据如下:
Benchmark Mode Cnt Score Error Units
StringCreateBenchmark.invoke thrpt 5 784869.350 ± 1936.754 ops/ms
StringCreateBenchmark.langAccess thrpt 5 784029.186 ± 2734.300 ops/ms
StringCreateBenchmark.unsafe thrpt 5 761176.319 ± 11914.549 ops/ms
StringCreateBenchmark.newString thrpt 5 140883.533 ± 2217.773 ops/ms
在JDK 9之后,对全部是ASCII字符的场景,直接构造能达到更好的效果。
4.1 基于MethodHandles.Lookup & LambdaMetafactory绑定反射的快速构造字符串的方法。
相关代码地址[2]。
4.1.1 JDK8快速构造字符串
public static BiFunction<char[], Boolean, String> getStringCreatorJDK8() throws Throwable {
Constructor<MethodHandles.Lookup> constructor = MethodHandles.Lookup.class.getDeclaredConstructor(Class.class, int.class);
constructor.setAccessible(true);
MethodHandles lookup = constructor.newInstance(
String.class
, -1 // Lookup.TRUSTED
);
MethodHandles.Lookup caller = lookup.in(String.class);
MethodHandle handle = caller.findConstructor(
String.class, MethodType.methodType(void.class, char[].class, boolean.class)
);
CallSite callSite = LambdaMetafactory.metafactory(
caller
, "apply"
, MethodType.methodType(BiFunction.class)
, handle.type().generic()
, handle
, handle.type()
);
return (BiFunction) callSite.getTarget().invokeExact();
}
4.1.2 JDK 11快速构造字符串的方法
public static ToIntFunction<String> getStringCode11() throws Throwable {
Constructor<MethodHandles.Lookup> constructor = MethodHandles.Lookup.class.getDeclaredConstructor(Class.class, int.class);
constructor.setAccessible(true);
MethodHandles.Lookup lookup = constructor.newInstance(
String.class
, -1 // Lookup.TRUSTED
);
MethodHandles.Lookup caller = lookup.in(String.class);
MethodHandle handle = caller.findVirtual(
String.class, "coder", MethodType.methodType(byte.class)
);
CallSite callSite = LambdaMetafactory.metafactory(
caller
, "applyAsInt"
, MethodType.methodType(ToIntFunction.class)
, MethodType.methodType(int.class, Object.class)
, handle
, handle.type()
);
return (ToIntFunction<String>) callSite.getTarget().invokeExact();
}
if (JDKUtils.JVM_VERSION == 11) {
Function<byte[], String> stringCreator = JDKUtils.getStringCreatorJDK11();
byte[] bytes = new byte[]{'a', 'b', 'c'};
String apply = stringCreator.apply(bytes);
assertEquals("abc", apply);
}
4.1.3 JDK 17快速构造字符串的方法
在JDK 17中,MethodHandles.Lookup使用Reflection.registerFieldsToFilter对lookupClass和allowedModes做了保护,网上搜索到的通过修改allowedModes的办法是不可用的。
在JDK 17中,要通过配置JVM启动参数才能使用MethodHandlers。如下:
--add-opens java.base/java.lang.invoke=ALL-UNNAMED
public static BiFunction<byte[], Charset, String> getStringCreatorJDK17() throws Throwable {
Constructor<MethodHandles.Lookup> constructor = MethodHandles.Lookup.class.getDeclaredConstructor(Class.class, Class.class, int.class);
constructor.setAccessible(true);
MethodHandles.Lookup lookup = constructor.newInstance(
String.class
, null
, -1 // Lookup.TRUSTED
);
MethodHandles.Lookup caller = lookup.in(String.class);
MethodHandle handle = caller.findStatic(
String.class, "newStringNoRepl1", MethodType.methodType(String.class, byte[].class, Charset.class)
);
CallSite callSite = LambdaMetafactory.metafactory(
caller
, "apply"
, MethodType.methodType(BiFunction.class)
, handle.type().generic()
, handle
, handle.type()
);
return (BiFunction<byte[], Charset, String>) callSite.getTarget().invokeExact();
}
if (JDKUtils.JVM_VERSION == 17) {
BiFunction<byte[], Charset, String> stringCreator = JDKUtils.getStringCreatorJDK17();
byte[] bytes = new byte[]{'a', 'b', 'c'};
String apply = stringCreator.apply(bytes, StandardCharsets.US_ASCII);
assertEquals("abc", apply);
}
4.2 基于JavaLangAccess快速构造
通过SharedSecrets提供的JavaLangAccess,也可以不拷贝构造字符串,但是这个比较麻烦,JDK 8/11/17的API都不一样,对一套代码兼容不同的JDK版本不方便,不建议使用。
JavaLangAccess javaLangAccess = SharedSecrets.getJavaLangAccess();
javaLangAccess.newStringNoRepl(b, StandardCharsets.US_ASCII);
4.3 基于Unsafe实现快速构造字符串
public static final Unsafe UNSAFE;
static {
Unsafe unsafe = null;
try {
Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
theUnsafeField.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) theUnsafeField.get(null);
} catch (Throwable ignored) {}
UNSAFE = unsafe;
}
////////////////////////////////////////////
Object str = UNSAFE.allocateInstance(String.class);
UNSAFE.putObject(str, valueOffset, chars);
注意:在JDK 9之后,实现是不同,比如:
Object str = UNSAFE.allocateInstance(String.class);
UNSAFE.putByte(str, coderOffset, (byte) 0);
UNSAFE.putObject(str, valueOffset, (byte[]) bytes);
4.4 快速构建字符串的技巧应用:
如下的方法格式化日期为字符串,性能就会非常好。
public String formatYYYYMMDD(Calendar calendar) throws Throwable {
int year = calendar.get(Calendar.YEAR);
int month = calendar.get(Calendar.MONTH) + 1;
int dayOfMonth = calendar.get(Calendar.DAY_OF_MONTH);
byte y0 = (byte) (year / 1000 + '0');
byte y1 = (byte) ((year / 100) % 10 + '0');
byte y2 = (byte) ((year / 10) % 10 + '0');
byte y3 = (byte) (year % 10 + '0');
byte m0 = (byte) (month / 10 + '0');
byte m1 = (byte) (month % 10 + '0');
byte d0 = (byte) (dayOfMonth / 10 + '0');
byte d1 = (byte) (dayOfMonth % 10 + '0');
if (JDKUtils.JVM_VERSION >= 9) {
byte[] bytes = new byte[] {y0, y1, y2, y3, m0, m1, d0, d1};
if (JDKUtils.JVM_VERSION == 17) {
return JDKUtils.getStringCreatorJDK17().apply(bytes, StandardCharsets.US_ASCII);
}
if (JDKUtils.JVM_VERSION <= 11) {
return JDKUtils.getStringCreatorJDK11().apply(bytes);
}
return new String(bytes, StandardCharsets.US_ASCII);
}
char[] chars = new char[]{
(char) y0,
(char) y1,
(char) y2,
(char) y3,
(char) m0,
(char) m1,
(char) d0,
(char) d1
};
if (JDKUtils.JVM_VERSION == 8) {
return JDKUtils.getStringCreatorJDK8().apply(chars, true);
}
return new String(chars);
}
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