Java中取模运算速度慢吗？

Question

出于好奇，我一直在研究JDK中ThreadLocal的实现，然后我发现了这个：

/**
 * Increment i modulo len.
 */
 private static int nextIndex(int i, int len) {
     return ((i + 1 < len) ? i + 1 : 0);
 }

看起来很明显可以使用简单的return (i + 1) % len实现，但我认为这些人懂他们的东西。你有什么想法为什么他们要这样做？

此代码高度面向性能，使用自定义映射来保存线程本地映射，使用弱引用帮助GC变得聪明等等，所以我想这是一个性能问题。在Java中取模速度慢吗？

- Dici

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@Dici 抱歉，我已经删除了我的评论，因为另一个评论解释了Java不会生成与汇编相同的代码。 - Leo

我的感觉是，在%运算中可能存在一些“最坏情况”，解释器无法选择合理的计算方式（请参见http://blog.teamleadnet.com/2012/07/faster-division-and-modulo-operation.html）。 - Leo

@Leo看起来很可信，有一条评论说长度必须是2的幂次方，而实际上确实存在一个动态调整大小的数组。 - Dici

我不确定你是如何认为这两个代码是相等的。当你超出长度时，一个会返回0，而另一个无论提供什么数字都会返回0到len-1之间的数字。 - ata

@Leo，我刚刚看到了，还没有来得及阅读。也谢谢你。 - Dici

Answer 1

为了提高性能，这个示例中避免使用%操作符。

div/rem 操作即使在CPU的架构层面上也较慢；不仅在Java中如此。例如，在Haswell架构下，idiv指令的最小延迟约为10个周期，而add指令仅需1个周期。

让我们使用JMH进行基准测试。

import org.openjdk.jmh.annotations.*;

@State(Scope.Benchmark)
public class Modulo {
    @Param("16")
    int len;

    int i;

    @Benchmark
    public int baseline() {
        return i;
    }

    @Benchmark
    public int conditional() {
        return i = (i + 1 < len) ? i + 1 : 0;
    }

    @Benchmark
    public int mask() {
        return i = (i + 1) & (len - 1);
    }

    @Benchmark
    public int mod() {
        return i = (i + 1) % len;
    }
}

结果：

Benchmark           (len)  Mode  Cnt  Score   Error  Units
Modulo.baseline        16  avgt   10  2,951 ± 0,038  ns/op
Modulo.conditional     16  avgt   10  3,517 ± 0,051  ns/op
Modulo.mask            16  avgt   10  3,765 ± 0,016  ns/op
Modulo.mod             16  avgt   10  9,125 ± 0,023  ns/op

正如您所见，使用%比条件表达式慢约2.6倍。JIT在讨论的ThreadLocal代码中无法自动优化这一点，因为除数（table.length）是可变的。

- apangin

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明天我会仔细看你的答案，现在我需要睡觉了:D 谢谢！ - Dici

Answer 2

mod在Java中并不慢。它是针对整数和浮点数分别实现的字节码指令irem和frem。JIT在优化方面做得很好。

在我的基准测试中（请参见文章），JDK 1.8中的irem调用大约需要1纳秒。非常快。frem调用要慢3倍，因此尽可能使用整数。

如果您正在使用自然整数（例如数组索引）和2的幂除数（例如8个线程本地变量），那么可以使用位操作技巧来获得20％的性能提升。

- Joseph Lust