Java 文字列のエンコードとデコードのパフォーマンスを向上させる方法
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- 2023-05-20 11:28:571145ブラウズ
1. 一般的な文字列エンコーディング
一般的な文字列エンコーディングは次のとおりです:
LATIN1 は ASCII 文字のみを保存できます (ISO -8859 とも呼ばれます)。 -1。
UTF-8 は、1、2、または 3 バイトを使用して文字を表す可変長バイト エンコーディングです。中国語は通常、表現するために 3 バイトを必要とするため、中国語シーンの UTF-8 エンコードには通常より多くのスペースが必要であり、代わりに GBK/GB2312/GB18030 が使用されます。
UTF-16 2 バイト。1 つの文字は 2 バイトで表す必要があります。UCS-2 (2 バイトユニバーサル文字セット) とも呼ばれます。 UTF-16 には、ビッグエンドとスモールエンドの区別により、UTF-16BE と UTF-16LE の 2 つの形式があり、デフォルトの UTF-16 は UTF-16BE を指します。 Java言語のcharはUTF-16LEエンコーディングです。
GB18030 は可変長バイト エンコーディングを採用しており、各文字は 1、2、または 3 バイトで表されます。 UTF8 と同様に、中国語を表すために 2 文字を使用するとバイト数を節約できますが、この方法は国際的には普遍的ではありません。
#メモリ内の文字列は計算の便宜上、通常は等幅文字を使用しており、Java 言語の char も .NET の char も UTF-16 を使用します。初期の Windows-NT は UTF-16 のみをサポートしていました。
2. エンコーディング変換のパフォーマンス
UTF-16 と UTF-8 間の変換はより複雑で、通常はパフォーマンスが低下します。
次は、UTF-16 を UTF-8 エンコーディングに変換する実装です。アルゴリズムがより複雑であるため、パフォーマンスが低下していることがわかります。ベクター API は使用できません。最適化を行ってください。
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;
}Java の char は UTF-16LE でエンコードされているため、char[] を UTF-16LE でエンコードされた byte[] に変換する必要がある場合は、sun.misc.Unsafe#copyMemory メソッドを使用してすばやくコピーできます。例:
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 文字列エンコード
JDK のバージョンが異なると、実装される文字列処理メソッドも異なるため、パフォーマンスも異なります。 JDK 9 以降では、String は内部的に LATIN1 エンコーディングも使用できますが、char は引き続き UTF-16 エンコーディングを使用します。
3.1. JDK 6 より前の String 実装
static class String {
final char[] value;
final int offset;
final int count;
}Java 6 より前では、String.subString メソッドによって生成された String オブジェクトは、元の String オブジェクトと char[] 値を共有していました。 subString メソッドから返された String の char[] は参照されるため、GC によってリサイクルすることはできません。多くのライブラリは、JDK 6 以前の問題を防ぐために、subString メソッドの使用を避けています。
3.2. JDK 7/8 での文字列の実装
static class String {
final char[] value;
}JDK 7 以降では、オフセット フィールドとカウント フィールドが文字列から削除され、value.length が元のカウントになります。これにより、大きな char[] を参照する subString の問題が回避され、最適化が容易になり、その結果、JDK7/8 での String 操作のパフォーマンスが Java 6 に比べて大幅に向上しました。
3.3. JDK 9/10/11の実装
static class String {
final byte code;
final byte[] value;
static final byte LATIN1 = 0;
static final byte UTF16 = 1;
}JDK 9以降では、値の型がchar[]からbyte[]に変わり、フィールドコードが追加されます。 ASCII 文字の場合、LATIN エンコードを使用するには value を使用します。非 ASCII 文字がある場合は、UTF16 エンコードを使用します。この混合エンコード方式により、英語のシーンが占有するメモリが少なくなります。欠点は、Java 9 の String API のパフォーマンスが JDK 8 ほど良くない可能性があることです。特に、文字列を構築するために char[] が渡されると、文字列はラテン語でエンコードされた byte[] に圧縮されます。 、シナリオによっては 10% 減少する可能性があります。
4. 文字列を素早く構築する方法
文字列の不変性を実現するために、文字列を構築する際にコピー処理が発生します。文字列のようなコピーは避ける必要があります。
たとえば、次は JDK8 での String のコンストラクターの実装です。
public final class String {
public String(char value[]) {
this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
}
}JDK8 にはコピーしないコンストラクターがありますが、このメソッドはパブリックではないため、 MethodHandles.Lookup と LambdaMetafactory は呼び出すためのリフレクションにバインドされており、記事の後半でこの手法を紹介するコードがあります。
public final class String {
String(char[] value, boolean share) {
// assert share : "unshared not supported";
this.value = value;
}
}文字をすばやく構築するには 3 つの方法があります:
MethodHandles.Lookup と LambdaMetafactory を使用してリフレクションをバインドします
Use JavaLangAccess の関連メソッド
Unsafe を使用して直接構築する
1 と 2 のパフォーマンスは同様で、3 はわずかに遅くなりますが、比較すると新しい文字を直接使用する 文字列と比較すると、どちらも高速です。 JMH テストを使用した JDK8 のデータは次のとおりです: 936.754 ops/ms
StringCreateBenchmark.langAccess thrpt 5 784029.186 ± 2734.300 ops/msStringCreateBenchmark.unsafe thrpt 5 761176.319 ± 11914.549 ops/ms文字列ベンチマークを作成します。 newString thrpt 5 140883.533 ± 2217.773 ops/ms
#JDK 9 以降、すべて ASCII 文字を含むシーンでは、直接構築するとより良い結果が得られます。4.1 基于MethodHandles.Lookup & LambdaMetafactory绑定反射的快速构造字符串的方法
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-UNNAMEDpublic 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); }5.快速遍历字符串的办法
无论JDK什么版本，String.charAt都是一个较大的开销，JIT的优化效果并不好，无法消除参数index范围检测的开销，不如直接操作String里面的value数组。
public final class String { private final char value[]; public char charAt(int index) { if ((index < 0) || (index >= value.length)) { throw new StringIndexOutOfBoundsException(index); } return value[index]; } }在JDK 9之后的版本，charAt开销更大
public final class String { private final byte[] value; private final byte coder; public char charAt(int index) { if (isLatin1()) { return StringLatin1.charAt(value, index); } else { return StringUTF16.charAt(value, index); } } }5.1 获取String.value的方法
获取String.value的方法有如下：
使用Field反射
使用Unsafe
Unsafe和Field反射在JDK 8 JMH的比较数据如下：
Benchmark Mode Cnt Score Error Units
StringGetValueBenchmark.reflect thrpt 5 438374.685 ± 1032.028 ops/ms
StringGetValueBenchmark.unsafe thrpt 5 1302654.150 ± 59169.706 ops/ms5.1.1 使用反射获取String.value
static Field valueField; static { try { valueField = String.class.getDeclaredField("value"); valueField.setAccessible(true); } catch (NoSuchFieldException ignored) {} } //////////////////////////////////////////// char[] chars = (char[]) valueField.get(str);5.1.2 使用Unsafe获取String.value
static long valueFieldOffset; static { try { Field valueField = String.class.getDeclaredField("value"); valueFieldOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(valueField); } catch (NoSuchFieldException ignored) {} } //////////////////////////////////////////// char[] chars = (char[]) UNSAFE.getObject(str, valueFieldOffset);static long valueFieldOffset; static long coderFieldOffset; static { try { Field valueField = String.class.getDeclaredField("value"); valueFieldOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(valueField); Field coderField = String.class.getDeclaredField("coder"); coderFieldOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(coderField); } catch (NoSuchFieldException ignored) {} } //////////////////////////////////////////// byte coder = UNSAFE.getObject(str, coderFieldOffset); byte[] bytes = (byte[]) UNSAFE.getObject(str, valueFieldOffset);6.更快的encodeUTF8方法
当能直接获取到String.value时，就可以直接对其做encodeUTF8操作，会比String.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)性能好很多。
6.1 JDK8高性能encodeUTF8的方法
public static int encodeUTF8(char[] src, int offset, int len, byte[] dst, int dp) { int sl = offset + len; int dlASCII = dp + Math.min(len, dst.length); // ASCII only optimized loop while (dp < dlASCII && src[offset] < '\u0080') { dst[dp++] = (byte) src[offset++]; } while (offset < sl) { char c = src[offset++]; if (c < 0x80) { // Have at most seven bits dst[dp++] = (byte) c; } else if (c < 0x800) { // 2 bytes, 11 bits dst[dp++] = (byte) (0xc0 | (c >> 6)); dst[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f)); } else if (c >= '\uD800' && c < ('\uDFFF' + 1)) { //Character.isSurrogate(c) but 1.7 final int uc; int ip = offset - 1; if (c >= '\uD800' && c < ('\uDBFF' + 1)) { // Character.isHighSurrogate(c) if (sl - ip < 2) { uc = -1; } else { char d = src[ip + 1]; // d >= '\uDC00' && d < ('\uDFFF' + 1) if (d >= '\uDC00' && d < ('\uDFFF' + 1)) { // Character.isLowSurrogate(d) uc = ((c << 10) + d) + (0x010000 - ('\uD800' << 10) - '\uDC00'); // Character.toCodePoint(c, d) } else { dst[dp++] = (byte) '?'; continue; } } } else { // if (c >= '\uDC00' && c < ('\uDFFF' + 1)) { // Character.isLowSurrogate(c) dst[dp++] = (byte) '?'; continue; } else { uc = c; } } if (uc < 0) { dst[dp++] = (byte) '?'; } else { dst[dp++] = (byte) (0xf0 | ((uc >> 18))); dst[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 12) & 0x3f)); dst[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 6) & 0x3f)); dst[dp++] = (byte) (0x80 | (uc & 0x3f)); offset++; // 2 chars } } else { // 3 bytes, 16 bits dst[dp++] = (byte) (0xe0 | ((c >> 12))); dst[dp++] = (byte) (0x80 | ((c >> 6) & 0x3f)); dst[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f)); } } return dp; }使用encodeUTF8方法举例
char[] chars = UNSAFE.getObject(str, valueFieldOffset); // ensureCapacity(chars.length * 3) byte[] bytes = ...; // int bytesLength = IOUtils.encodeUTF8(chars, 0, chars.length, bytes, bytesOffset);这样encodeUTF8操作，不会有多余的arrayCopy操作，性能会得到提升。
6.1.1 性能测试比较
测试代码
public class EncodeUTF8Benchmark { static String STR = "01234567890ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWZYZabcdefghijklmnopqrstuvwzyz一二三四五六七八九十"; static byte[] out; static long valueFieldOffset; static { out = new byte[STR.length() * 3]; try { Field valueField = String.class.getDeclaredField("value"); valueFieldOffset = UnsafeUtils.UNSAFE.objectFieldOffset(valueField); } catch (NoSuchFieldException e) { e.printStackTrace(); } } @Benchmark public void unsafeEncodeUTF8() throws Exception { char[] chars = (char[]) UnsafeUtils.UNSAFE.getObject(STR, valueFieldOffset); int len = IOUtils.encodeUTF8(chars, 0, chars.length, out, 0); } @Benchmark public void getBytesUTF8() throws Exception { byte[] bytes = STR.getBytes(StandardCharsets.UTF_8); System.arraycopy(bytes, 0, out, 0, bytes.length); } public static void main(String[] args) throws RunnerException { Options options = new OptionsBuilder() .include(EncodeUTF8Benchmark.class.getName()) .mode(Mode.Throughput) .timeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS) .forks(1) .build(); new Runner(options).run(); } }测试结果
EncodeUTF8Benchmark.getBytesUTF8 thrpt 5 20690.960 ± 5431.442 ops/ms
EncodeUTF8Benchmark.unsafeEncodeUTF8 thrpt 5 34508.606 ± 55.510 ops/ms从结果来看，通过unsafe + 直接调用encodeUTF8方法， 编码的所需要开销是newStringUTF8的58%。
6.2 JDK9/11/17高性能encodeUTF8的方法
public static int encodeUTF8(byte[] src, int offset, int len, byte[] dst, int dp) { int sl = offset + len; while (offset < sl) { byte b0 = src[offset++]; byte b1 = src[offset++]; if (b1 == 0 && b0 >= 0) { dst[dp++] = b0; } else { char c = (char)(((b0 & 0xff) << 0) | ((b1 & 0xff) << 8)); if (c < 0x800) { // 2 bytes, 11 bits dst[dp++] = (byte) (0xc0 | (c >> 6)); dst[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f)); } else if (c >= '\uD800' && c < ('\uDFFF' + 1)) { //Character.isSurrogate(c) but 1.7 final int uc; int ip = offset - 1; if (c >= '\uD800' && c < ('\uDBFF' + 1)) { // Character.isHighSurrogate(c) if (sl - ip < 2) { uc = -1; } else { b0 = src[ip + 1]; b1 = src[ip + 2]; char d = (char) (((b0 & 0xff) << 0) | ((b1 & 0xff) << 8)); // d >= '\uDC00' && d < ('\uDFFF' + 1) if (d >= '\uDC00' && d < ('\uDFFF' + 1)) { // Character.isLowSurrogate(d) uc = ((c << 10) + d) + (0x010000 - ('\uD800' << 10) - '\uDC00'); // Character.toCodePoint(c, d) } else { return -1; } } } else { // if (c >= '\uDC00' && c < ('\uDFFF' + 1)) { // Character.isLowSurrogate(c) return -1; } else { uc = c; } } if (uc < 0) { dst[dp++] = (byte) '?'; } else { dst[dp++] = (byte) (0xf0 | ((uc >> 18))); dst[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 12) & 0x3f)); dst[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 6) & 0x3f)); dst[dp++] = (byte) (0x80 | (uc & 0x3f)); offset++; // 2 chars } } else { // 3 bytes, 16 bits dst[dp++] = (byte) (0xe0 | ((c >> 12))); dst[dp++] = (byte) (0x80 | ((c >> 6) & 0x3f)); dst[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f)); } } } return dp; }使用encodeUTF8方法举例
byte coder = UNSAFE.getObject(str, coderFieldOffset); byte[] value = UNSAFE.getObject(str, coderFieldOffset); if (coder == 0) { // ascii arraycopy } else { // ensureCapacity(chars.length * 3) byte[] bytes = ...; // int bytesLength = IOUtils.encodeUTF8(value, 0, value.length, bytes, bytesOffset); }这样encodeUTF8操作，不会有多余的arrayCopy操作，性能会得到提升。
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