为什么StringBuilder链接模式sb.append(x).append(y)比普通的sb.append(x); sb.append(y)更快？

Question

我有一个微基准测试，结果非常奇怪:

@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
@Fork(1)
@State(Scope.Thread)
@Warmup(iterations = 10, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS, batchSize = 1000)
@Measurement(iterations = 40, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS, batchSize = 1000)
public class Chaining {

    private String a1 = "111111111111111111111111";
    private String a2 = "222222222222222222222222";
    private String a3 = "333333333333333333333333";

    @Benchmark
    public String typicalChaining() {
        return new StringBuilder().append(a1).append(a2).append(a3).toString();
    }

    @Benchmark
    public String noChaining() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append(a1);
        sb.append(a2);
        sb.append(a3);
        return sb.toString();
    }
}

我期望两个测试结果是相同的，或者至少非常接近。然而，它们之间的差异几乎达到5倍：

# Run complete. Total time: 00:01:41

Benchmark                  Mode  Cnt      Score     Error  Units
Chaining.noChaining       thrpt   40   8538.236 ± 209.924  ops/s
Chaining.typicalChaining  thrpt   40  36729.523 ± 988.936  ops/s

有人知道这是如何可能的吗？

- Dmitriy Dumanskiy

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也许它有一个优化规则，用于链接的 .append 调用，在其中一次性构建整个字符串？这将非常合理。 - user3079266

@Mints97 编译器对于常规的 sb.append() 结构不应该做同样的事情吗？ - Dmitriy Dumanskiy

@JarrodRoberson，我的期望完全正确。你不认为应该一样吗？这几乎是相同的代码。即使是链接产生的字节码也较少。五倍的差距？不可能。 - Dmitriy Dumanskiy

有趣的是，如果你在没有JIT的情况下运行这个程序，它们会按照你的期望工作（顺便说一下，使用-Djava.compiler=NONE参数）。每个基准测试的结果都接近相同（并且速度要慢得多）。 - Todd

我的期望是完全正确的，但结果并非你所期望的。你和我对于“完全正确”的定义不同。 - Lew Bloch

Answer 1

Java程序中经常出现字符串拼接的模式，例如 a + b + c，因此HotSpot JVM针对这种情况进行了特殊优化：默认开启 -XX:+OptimizeStringConcat。

HotSpot JVM在字节码中识别new StringBuilder().append()...append().toString()模式，并将其转换为优化的机器码，而不调用实际的Java方法或分配中间对象。这是一种复合JVM内部函数。

这里是该优化的源代码。

另一方面，sb.append(); sb.append(); ...则没有特殊处理，这个序列编译时就像一个普通的Java方法调用一样。

如果使用 -XX:-OptimizeStringConcat 参数重新运行基准测试，则两个变量的性能将相同。

- apangin

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在非字符串构建器类中链接方法是否比独立调用方法更有效率？ - Eric

@Eric 不，这个优化是针对StringBuilder特定的。 - apangin