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String性能提升10倍的几个方法!(源码+原理分析)

String 类型是我们使用最频繁的数据类型,没有之一。那么提高 String 的运行效率,无疑是提升程序性能的最佳手段。

我们本文将从 String 的源码入手,一步步带你实现字符串优化的小目标。不但教你如何有效的使用字符串,还为你揭晓这背后的深层次原因

本文涉及的知识点,如下图所示:
image.png

在看如何优化 String 之前,我们先来了解一下 String 的特性,毕竟知己知彼,才能百战不殆。

字符串的特性

想要了解 String 的特性就必须从它的源码入手,如下所示:

// 源码基于 JDK 1.8
public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    // String 值的实际存储容器
    private final char value[];
    public String() {
        this.value = "".value;
    }
    public String(String original) {
        this.value = original.value;
        this.hash = original.hash;
    }
    // 忽略其他信息
}

从他的源码我们可以看出,String 类以及它的 value[] 属性都被 final 修饰了,其中 value[] 是实现字符串存储的最终结构,而  final 则表示“最后的、最终的”。

我们知道,被 final 修饰的类是不能被继承的,也就是说此类将不能拥有子类,而被 final 修饰的变量即为常量,它的值是不能被改变的。这也就说当 String 一旦被创建之后,就不能被修改了

String 为什么不能被修改?

String 的类和属性 value[] 都被定义为 final 了,这样做的好处有以下三点:

  1. 安全性:当你在调用其他方法时,比如调用一些系统级操作指令之前,可能会有一系列校验,如果是可变类的话,可能在你校验过后,它的内部的值又被改变了,这样有可能会引起严重的系统崩溃问题,所以迫使 String 设计为 final 类的一个重要原因就是出于安全考虑;
  2. 高性能:String 不可变之后就保证的 hash 值的唯一性,这样它就更加高效,并且更适合做 HashMap 的 key- value 缓存;
  3. 节约内存:String 的不可变性是它实现字符串常量池的基础,字符串常量池指的是字符串在创建时,先去“常量池”查找是否有此“字符串”,如果有,则不会开辟新空间创作字符串,而是直接把常量池中的引用返回给此对象,这样就能更加节省空间。例如,通常情况下 String 创建有两种方式,直接赋值的方式,如 String str="Java";另一种是 new 形式的创建,如 String str = new String("Java")。当代码中使用第一种方式创建字符串对象时,JVM 首先会检查该对象是否在字符串常量池中,如果在,就返回该对象引用,否则新的字符串将在常量池中被创建。这种方式可以减少同一个值的字符串对象的重复创建,节约内存。String str = new String("Java") 这种方式,首先在编译类文件时,“Java”常量字符串将会放入到常量结构中,在类加载时,“Java”将会在常量池中创建;其次,在调用 new 时,JVM 命令将会调用 String 的构造函数,同时引用常量池中的“Java”字符串,在堆内存中创建一个 String 对象,最后 str 将引用 String 对象。

1.不要直接+=字符串

通过上面的内容,我们知道了 String 类是不可变的,那么在使用 String 时就不能频繁的 += 字符串了。

优化前代码

public static String doAdd() {
    String result = "";
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        result += (" i:" + i);
    }
    return result;
}

有人可能会问,我的业务需求是这样的,那我该如何实现?

官方为我们提供了两种字符串拼加的方案: StringBuffer 和 StringBuilder,其中 StringBuilder 为非线程安全的,而 StringBuffer 则是线程安全的,StringBuffer 的拼加方法使用了关键字 synchronized 来保证线程的安全,源码如下:

@Override
public synchronized StringBuffer append(CharSequence s) {
    toStringCache = null;
    super.append(s);
    return this;
}

也因为使用 synchronized 修饰,所以 StringBuffer 的拼加性能会比 StringBuilder 低。

那我们就用 StringBuilder 来实现字符串的拼加,优化后代码

public static String doAppend() {
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        sb.append(" i:" + i);
    }
    return sb.toString();
}

我们通过代码测试一下,两个方法之间的性能差别:

public class StringTest {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            // String
            long st1 = System.currentTimeMillis(); // 开始时间
            doAdd();
            long et1 = System.currentTimeMillis(); // 开始时间
            System.out.println("String 拼加,执行时间:" + (et1 - st1));
            // StringBuilder
            long st2 = System.currentTimeMillis(); // 开始时间
            doAppend();
            long et2 = System.currentTimeMillis(); // 开始时间
            System.out.println("StringBuilder 拼加,执行时间:" + (et2 - st2));
            System.out.println();
        }
    }
    public static String doAdd() {
        String result = "";
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            result += ("Java中文社群:" + i);
        }
        return result;
    }
    public static String doAppend() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            sb.append("Java中文社群:" + i);
        }
        return sb.toString();
    }
}

以上程序的执行结果如下:

String 拼加,执行时间:429

StringBuilder 拼加,执行时间:1

String 拼加,执行时间:553

StringBuilder 拼加,执行时间:0

String 拼加,执行时间:289

StringBuilder 拼加,执行时间:1

String 拼加,执行时间:210

StringBuilder 拼加,执行时间:2

String 拼加,执行时间:224

StringBuilder 拼加,执行时间:1

从结果可以看出,优化前后的性能相差很大。

注意:此性能测试的结果与循环的次数有关,也就是说循环的次数越多,他们性能相除的结果也越大。

接下来,我们要思考一个问题:为什么 StringBuilder.append() 方法比 += 的性能高? 而且拼接的次数越多性能的差距也越大?

当我们打开 StringBuilder 的源码,就可以发现其中的“小秘密”了,StringBuilder 父类 AbstractStringBuilder 的实现源码如下:

abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {
    char[] value;
    int count;
    @Override
    public AbstractStringBuilder append(CharSequence s, int start, int end) {
        if (s == null)
            s = "null";
        if ((start < 0) || (start > end) || (end > s.length()))
            throw new IndexOutOfBoundsException(
                "start " + start + ", end " + end + ", s.length() "
                + s.length());
        int len = end - start;
        ensureCapacityInternal(count + len);
        for (int i = start, j = count; i < end; i++, j++)
            value[j] = s.charAt(i);
        count += len;
        return this;
    }
    // 忽略其他信息...
}

而 StringBuilder 使用了父类提供的 char[] 作为自己值的实际存储单元,每次在拼加时会修改 char[] 数组,StringBuilder toString() 源码如下:

@Override
public String toString() {
    // Create a copy, don't share the array
    return new String(value, 0, count);
}

综合以上源码可以看出:StringBuilder 使用了 char[] 作为实际存储单元,每次在拼加时只需要修改 char[] 数组即可,只是在 toString() 时创建了一个字符串;而 String 一旦创建之后就不能被修改,因此在每次拼加时,都需要重新创建新的字符串,所以 StringBuilder.append() 的性能就会比字符串的 += 性能高很多

2.善用 intern 方法

善用 String.intern() 方法可以有效的节约内存并提升字符串的运行效率,先来看 intern() 方法的定义与源码:

/**
* Returns a canonical representation for the string object.
* <p>
* A pool of strings, initially empty, is maintained privately by the
* class {@code String}.
* <p>
* When the intern method is invoked, if the pool already contains a
* string equal to this {@code String} object as determined by
* the {@link #equals(Object)} method, then the string from the pool is
* returned. Otherwise, this {@code String} object is added to the
* pool and a reference to this {@code String} object is returned.
* <p>
* It follows that for any two strings {@code s} and {@code t},
* {@code s.intern() == t.intern()} is {@code true}
* if and only if {@code s.equals(t)} is {@code true}.
* <p>
* All literal strings and string-valued constant expressions are
* interned. String literals are defined in section 3.10.5 of the
* <cite>The Java&trade; Language Specification</cite>.
*
* @return  a string that has the same contents as this string, but is
*          guaranteed to be from a pool of unique strings.
*/
public native String intern();

可以看出 intern() 是一个高效的本地方法,它的定义中说的是,当调用 intern 方法时,如果字符串常量池中已经包含此字符串,则直接返回此字符串的引用,如果不包含此字符串,先将字符串添加到常量池中,再返回此对象的引用。

那什么情况下适合使用 intern() 方法?

Twitter 工程师曾分享过一个 String.intern() 的使用示例,Twitter 每次发布消息状态的时候,都会产生一个地址信息,以当时 Twitter 用户的规模预估,服务器需要 32G 的内存来存储地址信息。

public class Location {
    private String city;
    private String region;
    private String countryCode;
    private double longitude;
    private double latitude;
}

考虑到其中有很多用户在地址信息上是有重合的,比如,国家、省份、城市等,这时就可以将这部分信息单独列出一个类,以减少重复,代码如下:

public class SharedLocation {

  private String city;
  private String region;
  private String countryCode;
}

public class Location {

  private SharedLocation sharedLocation;
  double longitude;
  double latitude;
}

通过优化,数据存储大小减到了 20G 左右。但对于内存存储这个数据来说,依然很大,怎么办呢?

Twitter 工程师使用 String.intern() 使重复性非常高的地址信息存储大小从 20G 降到几百兆,从而优化了 String 对象的存储。

实现的核心代码如下:

SharedLocation sharedLocation = new SharedLocation();
sharedLocation.setCity(messageInfo.getCity().intern());    
sharedLocation.setCountryCode(messageInfo.getRegion().intern());
sharedLocation.setRegion(messageInfo.getCountryCode().intern());

从 JDK1.7 版本以后,常量池已经合并到了堆中,所以不会复制字符串副本,只是会把首次遇到的字符串的引用添加到常量池中。此时只会判断常量池中是否已经有此字符串,如果有就返回常量池中的字符串引用。

这就相当于以下代码:

String s1 = new String("Java中文社群").intern();
String s2 = new String("Java中文社群").intern();
System.out.println(s1 == s2);

执行的结果为:true

此处如果有人问为什么不直接赋值(使用 String s1 = "Java中文社群"),是因为这段代码是简化了上面 Twitter 业务代码的语义而创建的,他使用的是对象的方式,而非直接赋值的方式。更多关于 intern() 的内容可以查看《别再问我new字符串创建了几个对象了!我来证明给你看!》这篇文章。

3.慎重使用 Split 方法

之所以要劝各位慎用 Split 方法,是因为 Split 方法大多数情况下使用的是正则表达式,这种分割方式本身没有什么问题,但是由于正则表达式的性能是非常不稳定的,使用不恰当会引起回溯问题,很可能导致 CPU 居高不下。

例如以下正则表达式:

String badRegex = "^([hH][tT]{2}[pP]://|[hH][tT]{2}[pP][sS]://)(([A-Za-z0-9-~]+).)+([A-Za-z0-9-~\\\\/])+$";
String bugUrl = "http://www.apigo.com/dddp-web/pdf/download?request=6e7JGxxxxx4ILd-kExxxxxxxqJ4-CHLmqVnenXC692m74H38sdfdsazxcUmfcOH2fAfY1Vw__%5EDadIfJgiEf";
if (bugUrl.matches(badRegex)) {
    System.out.println("match!!");
} else {
    System.out.println("no match!!");
}

执行效果如下图所示:
CPU 100.png
可以看出此代码导致了 CPU 使用过高。

Java 正则表达式使用的引擎实现是 NFA(Non deterministic Finite Automaton,不确定型有穷自动机)自动机,这种正则表达式引擎在进行字符匹配时会发生回溯(backtracking),而一旦发生回溯,那其消耗的时间就会变得很长,有可能是几分钟,也有可能是几个小时,时间长短取决于回溯的次数和复杂度。

为了更好地解释什么是回溯,我们使用以下面例子进行解释:

text = "abbc";
regex = "ab{1,3}c";

上面的这个例子的目的比较简单,匹配以 a 开头,以 c 结尾,中间有 1-3 个 b 字符的字符串。

NFA 引擎对其解析的过程是这样子的:

  • 首先,读取正则表达式第一个匹配符 a 和 字符串第一个字符 a 比较,匹配上了,于是读取正则表达式第二个字符;
  • 读取正则表达式第二个匹配符 b{1,3} 和字符串的第二个字符 b 比较,匹配上了。但因为 b{1,3} 表示 1-3 个 b 字符串,以及 NFA 自动机的贪婪特性(也就是说要尽可能多地匹配),所以此时并不会再去读取下一个正则表达式的匹配符,而是依旧使用 b{1,3} 和字符串的第三个字符 b 比较,发现还是匹配上了,于是继续使用 b{1,3} 和字符串的第四个字符 c 比较,发现不匹配了,此时就会发生回溯;
  • 发生回溯后,我们已经读取的字符串第四个字符 c 将被吐出去,指针回到第三个字符串的位置,之后程序读取正则表达式的下一个操作符 c,然后再读取当前指针的下一个字符 c 进行对比,发现匹配上了,于是读取下一个操作符,然后发现已经结束了。

这就是正则匹配执行的流程和简单的回溯执行流程,而上面的示例在匹配到“com/dzfp-web/pdf/download?request=6e7JGm38jf.....”时因为贪婪匹配的原因,所以程序会一直读后面的字符串进行匹配,最后发现没有点号,于是就一个个字符回溯回去了,于是就会导致了 CPU 运行过高。

所以我们应该慎重使用 Split() 方法,我们可以用 String.indexOf() 方法代替 Split() 方法完成字符串的分割。如果实在无法满足需求,你就在使用 Split() 方法时,对回溯问题加以重视就可以了。

总结

本文通过 String 源码分析,发现了 String 的不可变特性,以及不可变特性的 3 大优点讲解;然后讲了字符串优化的三个手段:不要直接 += 字符串、善用 intern() 方法和慎重使用 Split() 方法。并且通过 StringBuilder 的源码分析,了解了 append() 性能高的主要原因,以及正则表达式不稳定性导致回溯问题,进入导致 CPU 使用过高的案例分析,希望可以切实的帮助到你。

最后的话

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参考 & 鸣谢

http://gk.link/a/10hUM

https://blog.csdn.net/ityouknow/article/details/80851338

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posted @ 2020-04-29 17:37  Java中文社群  阅读(153)  评论(0编辑  收藏