Java 内幕新闻第二期深度解读

这是由 Java 官方发布,Oracle JDK 研发 Nipafx 制作的节目,包含 JDK 近期的研发进展和新特性展望和使用,这里加上个人译制的字幕搬运而来。我把 Nipafx 的扩展资料详细研读并提取精华做了个人详细解读:视频地址(熟肉)

⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Chapters ⎯⎯⎯⎯⎯⎯

  • 0:00 - Intro
  • 0:33 - Vector API
  • 0:56 - Vector API - SIMD and Vector Instructions
  • 2:22 - Vector API - Current State
  • 3:10 - Vector API - More
    Inside Java podcast Ep. 7
  • 3:59 - Records Serialization
  • 5:22 - JDK 17 - Enhanced Pseudo-Random Number Generators
  • 6:06 - Outro

这一节的内容不是很多,但是都比较有意思。

Vector API

相关 JEP:

其中最主要的应用就是使用了 CPU 的 SIMD(单指令多数据)处理,它提供了通过程序的多通道数据流,可能有 4 条通道或 8 条通道或任意数量的单个数据元素流经的通道。并且 CPU 一次在所有通道上并行组织操作,这可以极大增加 CPU 吞吐量。通过 Vector API,Java 团队正在努力让 Java 程序员使用 Java 代码直接访问它;过去,他们必须在汇编代码级别对向量数学进行编程,或者使用 C/C++ 与 Intrinsic 一起使用,然后通过 JNI 提供给 Java。

一个主要的优化点就是循环,过去的循环(标量循环),一次在一个元素上执行,那很慢。现在,您可以使用 Vector API 将标量算法转换为速度更快的数据并行算法。一个使用 Vector 的例子:

//测试指标为吞吐量
@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
//需要预热,排除 jit 即时编译以及 JVM 采集各种指标带来的影响,由于我们单次循环很多次,所以预热一次就行
@Warmup(iterations = 1)
//单线程即可
@Fork(1)
//测试次数,我们测试10次
@Measurement(iterations = 10)
//定义了一个类实例的生命周期,所有测试线程共享一个实例
@State(value = Scope.Benchmark)
public class VectorTest {
	private static final VectorSpecies<Float> SPECIES =
			FloatVector.SPECIES_256;

	final int size = 1000;
	final float[] a = new float[size];
	final float[] b = new float[size];
	final float[] c = new float[size];

	public VectorTest() {
		for (int i = 0; i < size; i++) {
			a[i] = ThreadLocalRandom.current().nextFloat(0.0001f, 100.0f);
			b[i] = ThreadLocalRandom.current().nextFloat(0.0001f, 100.0f);
		}
	}

	@Benchmark
	public void testScalar(Blackhole blackhole) throws Exception {
		for (int i = 0; i < a.length; i++) {
			c[i] = (a[i] * a[i] + b[i] * b[i]) * -1.0f;
		}
	}

	@Benchmark
	public void testVector(Blackhole blackhole) {
		int i = 0;
		//高于数组长度的 SPECIES 一次处理数据长度的倍数
		int upperBound = SPECIES.loopBound(a.length);
		//每次循环处理 SPECIES.length() 这么多的数据
		for (; i < upperBound; i += SPECIES.length()) {
			// FloatVector va, vb, vc;
			var va = FloatVector.fromArray(SPECIES, a, i);
			var vb = FloatVector.fromArray(SPECIES, b, i);
			var vc = va.mul(va)
					.add(vb.mul(vb))
					.neg();
			vc.intoArray(c, i);
		}
		for (; i < a.length; i++) {
			c[i] = (a[i] * a[i] + b[i] * b[i]) * -1.0f;
		}
	}

	public static void main(String[] args) throws RunnerException {
		Options opt = new OptionsBuilder().include(VectorTest.class.getSimpleName()).build();
		new Runner(opt).run();
	}
}

注意使用处于孵化的 Java 特性需要加上额外的启动参数将模块暴露,这里是--add-modules jdk.incubator.vector,需要在 javac 编译和 java 运行都加上这些参数,使用 IDEA 即:

image

image

测试结果:

Benchmark               Mode  Cnt         Score         Error  Units
VectorTest.testScalar  thrpt   10   7380697.998 ± 1018277.914  ops/s
VectorTest.testVector  thrpt   10  37151609.182 ± 1011336.900  ops/s

其他使用,请参考:fizzbuzz-simd-style,这是一篇比较有意思的文章(虽然这个性能优化感觉不只由于 SIMD,还有算法优化的功劳,哈哈)

关于一些更加详细的使用,以及设计思路,可以参考这个音频:https://www.youtube.com/watch?v=VYo3p4R66N8&t=427s

Records Serialization

关于 Java Record 的序列化,我也写过一篇文章进行分析,参考:Java Record 的一些思考 - 序列化相关

其中,最重要的是一些主流的序列化框架的兼容

由于 Record 限制了序列化与反序列化的唯一方式,所以其实兼容起来很简单,比起 Java Class 改个结构,加个特性导致的序列化框架更改来说还要简单。

这三个框架中实现对于 Record 的兼容思路都很类似,也比较简单,即:

  1. 实现一个针对 Record 的专用的 Serializer 以及Deserializer。
  2. 通过反射(Java Reflection)或者句柄(Java MethodHandle)验证当前版本的 Java 是否支持 Record,以及获取 Record 的规范构造函数(canonical constructor)以及各种 field 的 getter 进行反序列化和序列化。

JDK 17 - Enhanced Pseudo-Random Number Generators

Java 17 针对随机数生成器做了统一接口封装,并且内置了 Xoshiro 算法以及自己研发的 LXM 算法,可以参考我的这个系列文章:

这里截取一部分分析:

根据之前的分析,应该还是 SplittableRandom 在单线程环境下最快,多线程环境下使用 ThreadLocalRandom 最快。新增的随机算法实现类,Period 约大需要的计算越多, LXM 的实现需要更多计算,加入这些算法是为了适应更多的随机应用,而不是为了更快。不过为了满足大家的好奇心,还是写了如下的代码进行测试,从下面的代码也可以看出,新的 RandomGenerator API 使用更加简便:

package prng;

import java.util.random.RandomGenerator;
import java.util.random.RandomGeneratorFactory;

import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;
import org.openjdk.jmh.annotations.BenchmarkMode;
import org.openjdk.jmh.annotations.Fork;
import org.openjdk.jmh.annotations.Measurement;
import org.openjdk.jmh.annotations.Mode;
import org.openjdk.jmh.annotations.Param;
import org.openjdk.jmh.annotations.Scope;
import org.openjdk.jmh.annotations.Setup;
import org.openjdk.jmh.annotations.State;
import org.openjdk.jmh.annotations.Threads;
import org.openjdk.jmh.annotations.Warmup;
import org.openjdk.jmh.infra.Blackhole;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;

//测试指标为吞吐量
@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
//需要预热,排除 jit 即时编译以及 JVM 采集各种指标带来的影响,由于我们单次循环很多次,所以预热一次就行
@Warmup(iterations = 1)
//线程个数
@Threads(10)
@Fork(1)
//测试次数,我们测试50次
@Measurement(iterations = 50)
//定义了一个类实例的生命周期,所有测试线程共享一个实例
@State(value = Scope.Benchmark)
public class TestRandomGenerator {
	@Param({
			"Random", "SecureRandom", "SplittableRandom", "Xoroshiro128PlusPlus", "Xoshiro256PlusPlus", "L64X256MixRandom",
			"L64X128StarStarRandom", "L64X128MixRandom", "L64X1024MixRandom", "L32X64MixRandom", "L128X256MixRandom",
			"L128X128MixRandom", "L128X1024MixRandom"
	})
	private String name;
	ThreadLocal<RandomGenerator> randomGenerator;
	@Setup
	public void setup() {
		final String finalName = this.name;
		randomGenerator = ThreadLocal.withInitial(() -> RandomGeneratorFactory.of(finalName).create());
	}

	@Benchmark
	public void testRandomInt(Blackhole blackhole) throws Exception {
		blackhole.consume(randomGenerator.get().nextInt());
	}

	@Benchmark
	public void testRandomIntWithBound(Blackhole blackhole) throws Exception {
		//注意不取 2^n 这种数字,因为这种数字一般不会作为实际应用的范围,但是底层针对这种数字有优化
		blackhole.consume(randomGenerator.get().nextInt(1, 100));
	}

	public static void main(String[] args) throws RunnerException {
		Options opt = new OptionsBuilder().include(TestRandomGenerator.class.getSimpleName()).build();
		new Runner(opt).run();
	}
}

测试结果:

Benchmark                                                  (name)   Mode  Cnt          Score           Error  Units
TestRandomGenerator.testRandomInt                          Random  thrpt   50  276250026.985 ± 240164319.588  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt                    SecureRandom  thrpt   50    2362066.269 ±   1277699.965  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt                SplittableRandom  thrpt   50  365417656.247 ± 377568150.497  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt            Xoroshiro128PlusPlus  thrpt   50  341640250.941 ± 287261684.079  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt              Xoshiro256PlusPlus  thrpt   50  343279172.542 ± 247888916.092  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt                L64X256MixRandom  thrpt   50  317749688.838 ± 245196331.079  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt           L64X128StarStarRandom  thrpt   50  294727346.284 ± 283056025.396  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt                L64X128MixRandom  thrpt   50  314790625.909 ± 257860657.824  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt               L64X1024MixRandom  thrpt   50  315040504.948 ± 101354716.147  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt                 L32X64MixRandom  thrpt   50  311507435.009 ± 315893651.601  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt               L128X256MixRandom  thrpt   50  187922591.311 ± 137220695.866  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt               L128X128MixRandom  thrpt   50  218433110.870 ± 164229361.010  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt              L128X1024MixRandom  thrpt   50  220855813.894 ±  47531327.692  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound                 Random  thrpt   50  248088572.243 ± 206899706.862  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound           SecureRandom  thrpt   50    1926592.946 ±   2060477.065  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound       SplittableRandom  thrpt   50  334863388.450 ±  92778213.010  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound   Xoroshiro128PlusPlus  thrpt   50  252787781.866 ± 200544008.824  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound     Xoshiro256PlusPlus  thrpt   50  247673155.126 ± 164068511.968  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound       L64X256MixRandom  thrpt   50  273735605.410 ±  87195037.181  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound  L64X128StarStarRandom  thrpt   50  291151383.164 ± 192343348.429  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound       L64X128MixRandom  thrpt   50  217051928.549 ± 177462405.951  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound      L64X1024MixRandom  thrpt   50  222495366.798 ± 180718625.063  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound        L32X64MixRandom  thrpt   50  305716905.710 ±  51030948.739  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound      L128X256MixRandom  thrpt   50  174719656.589 ± 148285151.049  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound      L128X128MixRandom  thrpt   50  176431895.622 ± 143002504.266  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound     L128X1024MixRandom  thrpt   50  198282642.786 ±  24204852.619  ops/s

在之前的结果验证中,我们已经知道了 SplittableRandom 的在单线程中的性能最好,多线程环境下表现最好的是算法与它类似但是做了多线程优化的 ThreadLocalRandom.

如何选择随机算法

原则是,看你的业务场景,所有的随机组合到底有多少个,在什么范围内。然后找大于这个范围的 Period 中,性能最好的算法。例如,业务场景是一副扑克除了大小王 52 张牌,通过随机数决定发牌顺序:

  • 第一张牌:randomGenerator.nextInt(0, 52),从剩余的 52 张牌选
  • 第二张牌:randomGenerator.nextInt(0, 51),从剩余的 51 张牌选
  • 以此类推

那么一共有 52! 这么多结果,范围在 2^225 ~ 2^226 之间。如果我们使用的随机数生成器的 Period 小于这个结果集,那么某些牌的顺序,我们可能永远生成不了。所以,我们需要选择一个 Period > 54! 的随机数生成器。

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posted @ 2022-01-15 13:53  干货满满张哈希  阅读(42)  评论(0编辑  收藏  举报