Java：为什么计算速度比赋值（int）快？

Question

以下是同一函数的两个版本（基本上是通过暴力破解尝试恢复密码），它们的性能不同：

第一版：

private static final char[] CHARS = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789".toCharArray();
private static final int N_CHARS = CHARS.length;
private static final int MAX_LENGTH = 8;

private static char[] recoverPassword()
{
   char word[];
   int refi, i, indexes[];

   for (int length = 1; length <= MAX_LENGTH; length++)
   {
      refi = length - 1;
      word = new char[length];
      indexes = new int[length];
      indexes[length - 1] = 1;

      while(true)
      {
         i = length - 1;
         while ((++indexes[i]) == N_CHARS)
         {
            word[i] = CHARS[indexes[i] = 0];
            if (--i < 0)
               break;
         }

         if (i < 0)
            break;

         word[i] = CHARS[indexes[i]];

         if (isValid(word))
            return word;
      }
   }
   return null;
}

Version 2:

private static final char[] CHARS = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ0123456789".toCharArray();
private static final int N_CHARS = CHARS.length;
private static final int MAX_LENGTH = 8;

private static char[] recoverPassword()
{
   char word[];
   int refi, i, indexes[];

   for (int length = 1; length <= MAX_LENGTH; length++)
   {
      refi = length - 1;
      word = new char[length];
      indexes = new int[length];
      indexes[length - 1] = 1;

      while(true)
      {
         i = refi;
         while ((++indexes[i]) == N_CHARS)
         {
            word[i] = CHARS[indexes[i] = 0];
            if (--i < 0)
               break;
         }

         if (i < 0)
            break;

         word[i] = CHARS[indexes[i]];

         if (isValid(word))
            return word;
      }
   }
   return null;
}

我预期版本2会更快，因为它有以下改进（这也是唯一的区别）：

i = refi;

相较于版本1，有以下改进：

i = length -1;

然而，事实恰好相反：版本1的速度快了3%以上！ 有人知道为什么吗？这是编译器进行了一些优化吗？

非常感谢大家迄今为止的答案。只是想补充一下，实际目标不是优化这段代码（已经相当优化了），而更多地从编译器 / CPU / 架构的角度理解，什么可能会解释这样的性能差异。 这些答案非常有帮助，再次感谢！

关键字

- Kei Man

---

请确保您的基准测试正确。对Java进行基准测试并不总是容易的，而3％并不算多。 - Jon Kiparsky

Answer 1

在微基准测试中，很难检查这一点，因为您无法确定代码已经如何进行优化而不阅读生成的机器代码，即使CPU可以执行许多技巧来优化其未来，例如它将x86代码转换为RISC风格指令以实际执行。

计算最少需要一个周期，CPU可以同时执行三个计算。访问L1缓存需要4个周期，访问L2、L3、主内存分别需要11、40-75、200个周期。

在许多情况下，为了避免简单计算而存储值实际上会更慢。顺便说一句，使用除法和取模操作非常昂贵，缓存此值在微调代码时可能是值得的。

- Peter Lawrey

Answer 2

正确答案应该能够通过逆汇编器（即 .class -> .java 转换器）检索到， 但我的猜测是编译器可能已经决定彻底摆脱 iref 并决定将 length - 1 存储在辅助寄存器中。 我更倾向于使用 c++，但我的建议是尝试：

const int refi = length - 1;

在for循环内部。此外，你可能应该使用。

indexes[ refi ] = 1;

- Parakram Majumdar

---

在Java中的等价写法是 final int refi = length - 1。 - Jason C

不会的；但是@Parakram从未建议他查看类文件，而是建议使用反编译器来查看编译器从原始源文件中优化了什么。 - Jurgen Camilleri

@JurgenCamilleri 一个反编译器可以提供一些信息，但是有些字节码在Java中没有等效的表示方式，例如，反编译器无法显示switch块是编译为跳转表还是一系列isub+ifeq或偏移*值。 - Jason C

Answer 3

比较代码运行时间并不能给出精确或隔离的结果

首先，这不是比较性能的正确方式。需要进行运行时间分析。两个代码具有相同的循环结构，它们的运行时间相同。当您运行代码时，可能会有不同的运行时间。然而，它们大多数情况下与缓存命中、I/O时间、线程和进程调度有关。没有确切的保证代码总是在精确的时间内完成。

然而，您的代码仍然存在差异，要了解差异，您应该查看CPU架构。我可以根据x86架构进行基本解释。

幕后发生了什么？

i = refi;

CPU 从 RAM 中取回 refi 和 i 的值存储到寄存器中。如果这些值不在缓存中，则会对 RAM 进行两次访问，而且 i 的值将被写入 RAM。然而，根据线程和进程的调度情况，每次操作花费的时间总是不同的。此外，如果这些值在虚拟内存中，则需要更长的时间。

i = length -1;

CPU也可以从RAM或高速缓存中访问i和length，访问次数相同。此外，这里还有一个减法，意味着额外的CPU周期。这就是为什么你认为这个需要更长时间来完成。这是预期的，但我上面提到的问题解释了为什么需要更长时间。

总结

正如我所解释的，这不是比较性能的方式。我认为，这些代码之间没有真正的区别。CPU内部和编译器中有很多优化。如果您反编译.class文件，可以看到优化后的代码。

我的建议是尽量减少BigO运行时间分析。如果您找到更好的算法，那是优化代码的最佳方法。如果您的代码仍然存在瓶颈，可以尝试微基准测试。

另请参阅

算法分析

大O符号

微处理器

编译器优化

CPU调度

- erencan

Answer 4

首先，你不能通过运行程序来比较性能 - Java中的微基准测试是复杂的。

另外，现代CPU上的减法平均只需要三分之一的时钟周期。在一个3GHz的CPU上，这是0.1纳秒。而且没有任何东西可以告诉你减法实际上发生了，因为编译器可能已经修改了代码。

所以：

• 你应该尝试检查生成的汇编代码。
• 如果你真的关心性能，就要创建一个适当的微基准测试。

- assylias