Java: 尽可能使用堆栈变量(转)

如果您频繁存取变量，就需要考虑从何处存取这些变量。变量是 static 变量，还是堆栈变量，或者是类的实例变量？变量的存储位置对存取它的代码的性能有明显的影响？例如，请考虑下面这段代码：

package lab24.scut;

public class StackVars {
	private int instVar;
	private static int staticVar;

	// 存取堆栈变量
	void stackAccess(int val) {
		int j = 0;
		for (int i = 0; i < val; i++)
			j += 1;
	}

	// 存取类的实例变量
	void instanceAccess(int val) {
		for (int i = 0; i < val; i++)
			instVar += 1;
	}

	// 存取类的 static 变量
	void staticAccess(int val) {
		for (int i = 0; i < val; i++)
			staticVar += 1;
	}
	
	public static void main(String[] args){
		StackVars test = new StackVars();
		long s = System.currentTimeMillis();
		test.stackAccess(1000000000);
		System.out.println("使用栈变量耗时：" + (System.currentTimeMillis() - s));
		
		s = System.currentTimeMillis();
		test.instanceAccess(1000000000);
		System.out.println("使用实例变量耗时：" + (System.currentTimeMillis() - s));
		
		s = System.currentTimeMillis();
		test.staticAccess(1000000000);
		System.out.println("使用静态变量耗时：" + (System.currentTimeMillis() - s));
	}
}

 这段代码中的每个方法都执行相同的循环，并反复相同的次数。唯一的不同是每个循环使一个不同类型的变量递增。方法 stackAccess 使一个局部堆栈变量递增，instanceAccess 使类的一个实例变量递增，而 staticAccess 使类的一个 static 变量递增。

 

某次运行结果为：

使用栈变量耗时：797

使用静态变量耗时：2437

使用实例变量耗时：2469

instanceAccess 和 staticAccess 的执行时间基本相同。但是，stackAccess 要快两到三倍。存取堆栈变量如此快是因为，JVM 存取堆栈变量比它存取 static 变量或类的实例变量执行的操作少。请看一下为这三个方法生成的字节码：

Method void stackAccess(int)
  0 iconst_0         //将 0 压入堆栈。
  1 istore_2         //弹出 0 并将它存储在局部分变量表中索引为 2 的位置 (j)。
  2 iconst_0         //压入 0。
  3 istore_3         //弹出 0 并将它存储在局部变量表中索引为 3 的位置 (i)。
  4 goto 13          //跳至位置 13。
  7 iinc 2 1         //将存储在索引 2 处的 j 加 1。
 10 iinc 3 1         //将存储在索引 3 处的 i 加 1。
 13 iload_3          //压入索引 3 处的值 (i)。
 14 iload_1          //压入索引 1 处的值 (val)。
 15 if_icmplt 7      //弹出 i 和 val。如果 i 小于 val，则跳至位置 7。
 18 return           //返回调用方法。

 Method void instanceAccess(int)

  0 iconst_0         //将 0 压入堆栈。
  1 istore_2         //弹出 0 并将它存储在局部变量表中索引为 2 的位置 (i)。
  2 goto 18          //跳至位置 18。
  5 aload_0          //压入索引 0 (this)。
  6 dup              //复制堆栈顶的值并将它压入。
  7 getfield #19 <Field int instVar>
                     //弹出 this 对象引用并压入 instVar 的值。
 10 iconst_1         //压入 1。
 11 iadd             //弹出栈顶的两个值，并压入它们的和。
 12 putfield #19 <Field int instVar>
                     //弹出栈顶的两个值并将和存储在 instVar 中。
 15 iinc 2 1         //将存储在索引 2 处的 i 加 1。
 18 iload_2          //压入索引 2 处的值 (i)。
 19 iload_1          //压入索引 1 处的值 (val)。
 20 if_icmplt 5      //弹出 i 和 val。如果 i 小于 val，则跳至位置 5。
 23 return           //返回调用方法。

 Method void staticAccess(int)

  0 iconst_0         //将 0 压入堆栈。
  1 istore_2         //弹出 0 并将它存储在局部变量表中索引为 2 的位置 (i)。
  2 goto 16          //跳至位置 16。
  5 getstatic #25 <Field int staticVar>
                     //将常数存储池中 staticVar 的值压入堆栈。
  8 iconst_1         //压入 1。
  9 iadd             //弹出栈顶的两个值，并压入它们的和。
 10 putstatic #25 <Field int staticVar>
                     //弹出和的值并将它存储在 staticVar 中。
 13 iinc 2 1         //将存储在索引 2 处的 i 加 1。
 16 iload_2          //压入索引 2 处的值 (i)。
 17 iload_1          //压入索引 1 处的值 (val)。
 18 if_icmplt 5      //弹出 i 和 val。如果 i 小于 val，则跳至位置 5。
 21 return           //返回调用方法。

 查看字节码揭示了堆栈变量效率更高的原因。JVM 是一种基于堆栈的虚拟机，因此优化了对堆栈数据的存取和处理。所有局部变量都存储在一个局部变量表中，在 Java 操作数堆栈中进行处理，并可被高效地存取。存取 static 变量和实例变量成本更高，因为 JVM 必须使用代价更高的操作码，并从常数存储池中存取它们。（常数存储池保存一个类型所使用的所有类型、字段和方法的符号引用。）

通常，在第一次从常数存储池中访问 static 变量或实例变量以后，JVM 将动态更改字节码以使用效率更高的操作码。尽管有这种优化，堆栈变量的存取仍然更快。

考虑到这些事实，就可以重新构建前面的代码，以便通过存取堆栈变量而不是实例变量或 static 变量使操作更高效。请考虑修改后的代码：

package lab24.scut;

public class StackVars {
	private int instVar;
	private static int staticVar;

	// 存取堆栈变量
	void stackAccess(int val) {
		int j = 0;
		for (int i = 0; i < val; i++)
			j += 1;
	}

	// 存取类的实例变量
	void instanceAccess(int val) {
		int j = 0;
		for (int i = 0; i < val; i++)
			j += 1;
		this.instVar = j;
	}

	// 存取类的 static 变量
	void staticAccess(int val) {
		int j = 0 ;
		for (int i = 0; i < val; i++)
			j += 1;
		staticVar = j;
	}
	
	public static void main(String[] args){
		StackVars test = new StackVars();
		long s = System.currentTimeMillis();
		test.stackAccess(1000000000);
		System.out.println("使用栈变量耗时：" + (System.currentTimeMillis() - s));
		
		s = System.currentTimeMillis();
		test.instanceAccess(1000000000);
		System.out.println("使用实例变量耗时：" + (System.currentTimeMillis() - s));
		
		s = System.currentTimeMillis();
		test.staticAccess(1000000000);
		System.out.println("使用静态变量耗时：" + (System.currentTimeMillis() - s));
	}
}

 

某次运行的结果：

使用栈变量耗时：812

使用实例变量耗时：813

使用静态变量耗时：812

 

方法 instanceAccess 和 staticAccess 被修改为将它们的实例变量或 static 变量复制到局部堆栈变量中。当变量的处理完成以后，其值又被复制回实例变量或 static 变量中。这种简单的更改明显提高了 instanceAccess 和 staticAccess 的性能。这三个方法的执行时间现在基本相同，instanceAccess 和 staticAccess 的执行速度只比 stackAccess 的执行速度慢大约 4%。

这并不表示您应该避免使用 static 变量或实例变量。您应该使用对您的设计有意义的存储机制。例如，如果您在一个循环中存取 static 变量或实例变量，则您可以临时将它们存储在一个局部堆栈变量中，这样就可以明显地提高代码的性能。这将提供最高效的字节码指令序列供 JVM 执行。

评论

1 楼 huhang1986 2012-06-12