String 既然能这样性能调优,我直呼内行

发布于 2022-7-29 17:52
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❝码哥,String 还能优化啥?你是不是框我?

莫慌,今天给大家见识一下不一样的 String,从根上拿捏直达 G 点。

并且码哥分享一个例子:通过性能调优我们能实现百兆内存轻松存储几十 G 数据。

String对象是我们每天都「摸」的对象类型,但是她的性能问题我们却总是忽略。

爱她,不能只会简单一起玩耍,要深入了解String 的内心深处,做一个「心有猛虎,细嗅蔷薇」的暖男。

通过以下几点分析,我们一步步揭开她的衣裳,直达内心深处,提升一个 Level,让 String 直接起飞:

1.字符串对象的特性;
2.String 的不可变性;
3.大字符串构建技巧;
4.String.intern 节省内存;
5.字符串分割技巧;

 

String 身体解密
想要深入了解,就先从基本组成开始……

「String 缔造者」对 String 对象做了大量优化来节省内存,从而提升 String 的性能:

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Java 6 及之前
数据存储在 char[]数组中,String通过 offset 和 count两个属性定位 char[] 数据获取字符串。

这样可以高效快速的定位并共享数组对象,并且节省内存,但是有可能导致内存泄漏。

❝共享 char 数组为啥可能会导致内存泄漏呢?

 

String(int offset, int count, char value[]) {
    this.value = value;
    this.offset = offset;
    this.count = count;
}

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
    //check boundary
    return  new String(offset + beginIndex, endIndex - beginIndex, value);
}

调用 substring() 的时候虽然创建了新的字符串,但字符串的值 value 仍然指向的是内存中的同一个数组,如下图所示:

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如果我们仅仅是用 substring 获取一小段字符,而原始 string字符串非常大的情况下,substring 的对象如果一直被引用。

此时 String 字符串也无法回收,从而导致内存泄露。

如果有大量这种通过 substring 获取超大字符串中一小段字符串的操作,会因为内存泄露而导致内存溢出。

JDK7、8
去掉了 offset 和 count两个变量,减少了 String 对象占用的内存。

substring 源码:

public String(char value[], int offset, int count) {
    this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset + count);
}

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
    int subLen = endIndex - beginIndex;
    return new String(value, beginIndex, subLen);
}

substring() 通过 new String() 返回了一个新的字符串对象,在创建新的对象时通过 Arrays.copyOfRange() 深度拷贝了一个新的字符数组。

如下图所示:

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String.substring 方法不再共享 char[]数组的数据,解决了可能内存泄漏的问题。

Java 9
将 char[]字段改为 byte[],新增 coder属性。

❝码哥,为什么这么改呢?

 

一个 char 字符占 2 个字节,16 位。存储单字节编码内的字符(占一个字节的字符)就显得非常浪费。

为了节约内存空间,于是使用了 1 个字节占 8 位的 byte 数组来存放字符串。

勤俭节约的女神,谁不爱……

新属性 coder 的作用是:在计算字符串长度或者使用 indexOf()方法时,我们需要根据编码类型来计算字符串长度。

coder 的值分别表示不同编码类型:

 ● 0:表示使用 Latin-1 (单字节编码);
 ● 1:使用UTF-16。


String 的不可变性
了解了String 的基本组成之后,发现 String 还有一个比外在更性感的特性,她被 final关键字修饰,char 数组也是。

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我们知道类被 final 修饰代表该类不可继承,而 char[]被 final+private 修饰,代表了 String 对象不可被更改。

String 对象一旦创建成功,就不能再对它进行改变。

final 修饰的好处
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。

高性能缓存
String不可变之后就能保证 hash值得唯一性,使得类似 HashMap容器才能实现相应的 key-value 缓存功能。

实现字符串常量池
由于不可变,才得以实现字符串常量池。

字符串常量池指的是在创建字符串的时候,先去「常量池」查找是否创建过该「字符串」;

如果有,则不会开辟新空间创建字符串,而是直接把常量池中该字符串的引用返回给此对象。

创建字符串的两种方式:

 ● String str1 = “码哥字节”;
 ● String str2 = new String(“码哥字节”);
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,并返回该引用。

这样可以减少同一个值的字符串对象的重复创建,节约内存。

第二种方式创建,在编译类文件时,"码哥字节" 字符串将会放入到常量结构中,在类加载时,“码哥字节" 将会在常量池中创建;

在调用 new 时,JVM 命令将会调用 String 的构造函数,在堆内存中创建一个 String 对象,同时该对象指向「常量池」中的“码哥字节”字符串,str 指向刚刚在堆上创建的 String 对象;

如下图(str1、str2):

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❝什么是对象和对象引用呀?

str 属于方法栈的字面量,它指向堆中的 String 对象,并不是对象本。

对象在内存中是一块内存地址,str 则是指向这个内存地址的引用。

也就是说 str 并不是对象,而只是一个对象引用。

❝码哥,字符串的不可变到底指的是什么呀?

String str = "Java";
str = "Java,yyds"

第一次赋值 「Java」,第二次赋值「Java,yyds」,str 值确实改变了,为什么我还说 String 对象不可变呢?

这是因为 str 只是 String 对象的引用,并不是对象本身。

真正的对象依然还在内存中,没有被改变。

 

优化实战
了解了 String 的对象实现原理和特性,是时候要深入女神内心,结合实际场景,如何更上一层楼优化 String 对象的使用。

大字符串如何构建
既然 String 对象是不可变,所以我们在频繁拼接字符串的时候是否意味着创建多个对象呢?

String str = "癞蛤蟆撩青蛙" + "长的丑" + "玩的花";

是不是以为先生成「癞蛤蟆撩青蛙」对象,再生成「癞蛤蟆撩青蛙长的丑」对象,最后生成「癞蛤蟆撩青蛙长得丑玩的花」对象。

实际运行中,只有一个对象生成。

❝这是为什么呢?

虽然代码写的丑陋,但是编译器自动优化了代码。

再看下面例子:

String str = "小青蛙";

for(int i=0; i<1000; i++) {
     str += i;
}

上面的代码编译后,你可以看到编译器同样对这段代码进行了优化。

Java 在进行字符串的拼接时,偏向使用 StringBuilder,这样可以提高程序的效率。

String str = "小青蛙";

for(int i=0; i<1000; i++) {
            str = (new StringBuilder(String.valueOf(str))).append(i).toString();
}

即使如此,还是循环内重复创建 StringBuilder对象。

敲黑板

所以做字符串拼接的时候,我建议你还是要显式地使用 String Builder 来提升系统性能。

如果在多线程编程中,String 对象的拼接涉及到线程安全,你可以使用 StringBuffer。

 

运用 intern 节省内存
直接看intern() 方法的定义与源码:

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intern() 是一个本地方法,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。

否则将此字符串添加到常量池中,并返回字符串的引用。

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。

❝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 20G 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。

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());

弄个简单例子方便理解:

String a =new String("abc").intern();
String b = new String("abc").intern();

System.out.print(a==b);

输出结果:true。

在加载类的时候会在常量池中创建一个字符串对象,内容是「abc」。

创建局部 a 变量时,调用 new Sting() 会在堆内存中创建一个 String 对象,String 对象中的 char 数组将会引用常量池中字符串。

在调用 intern 方法之后,会去常量池中查找是否有等于该字符串对象的引用,有就返回引用。

创建 b 变量时,调用 new Sting() 会在堆内存中创建一个 String 对象,String 对象中的 char 数组将会引用常量池中字符串。

在调用 intern 方法之后,会去常量池中查找是否有等于该字符串对象的引用,有就返回引用给局部变量。

而刚在堆内存中的两个对象,由于没有引用指向它,将会被垃圾回收。

所以 a 和 b 引用的是同一个对象。

字符串分割有妙招
Split() 方法使用了正则表达式实现了其强大的分割功能,而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。

Java 正则表达式使用的引擎实现是 NFA(Non deterministic Finite Automaton,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。

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。

 

总结与思考
我们从 String 进化历程掌握了她的组成,不断的改变成员变量节约内存。

她的不可变性从而实现了字符串常量池,减少同一个字符串的重复创建,节约内存。

但也是因为这个特性,我们在做长字符串拼接时,需要显示使用 StringBuilder,以提高字符串的拼接性能。

最后,在优化方面,我们还可以使用 intern 方法,让变量字符串对象重复使用常量池中相同值的对象,进而节约内存。

最后的最后,出一个问题给大家:通过三种不同的方式创建了三个对象,再依次两两匹配,每组被匹配的两个对象是否相等?代码如下:

String str1 = "abc";
String str2 = new String("abc");
String str3 = str2.intern();
assertSame(str1 == str2);
assertSame(str2 == str3);
assertSame(str1 == str3)

 

 

 

文章转载自公众号:码哥字节

已于2022-7-29 17:52:17修改
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