
局部变量竟然比全局变量快 5 倍?
喽,大家好,磊哥的性能优化篇又来了!
其实写这个性能优化类的文章初衷也很简单,第一:目前市面上没有太好的关于性能优化的系列文章,包括一些付费的文章;第二:我需要写一些和别人不同的知识点,比如大家都去写 SpringBoot 了,那我就不会把重点全部放在 SpringBoot 上。而性能优化方面的文章又比较少,因此这就是我写它的理由。
至于能不能用上?是不是刚需?我想每个人都有自己的答案。就像一个好的剑客,终其一生都会对宝剑痴迷,我相信读到此文的你也是一样。
回到今天的主题,这次我们来评测一下局部变量和全局变量的性能差异,首先我们先在项目中先添加 Oracle 官方提供的 JMH(Java Microbenchmark Harness,JAVA 微基准测试套件)测试框架,配置如下:
然后编写测试代码:
其中 globalVarTest 方法使用的是全局变量 myChars 进行循环遍历的,而 localityVarTest 方法使用的是局部变量 localityChars 来进行遍历循环的,使用 JMH 测试的结果如下:
咦,什么鬼?这两个方法的性能不是差不多嘛!为毛,你说差 5 倍?
CPU Cache
上面的代码之所以性能差不多其实是因为,全局变量 myChars 被 CPU 缓存了,每次我们查询时不会直接从对象的实例域(对象的实际存储结构)中查询的,而是直接从 CPU 的缓存中查询的,因此才有上面的结果。
为了还原真实的性能(局部变量和全局变量),因此我们需要使用 volatile 关键来修饰 myChars 全局变量,这样 CPU 就不会缓存此变量了, volatile 原本的语义是禁用 CPU 缓存的,我们修改的代码如下:
最终的测试结果是:
从上面的结果可以看出,局部变量的性能比全局变量的性能快了大约 5.02 倍。
至于为什么局部变量会比全局变量快?咱们稍后再说,我们先来聊聊 CPU 缓存的事。
在计算机系统中,CPU 缓存(CPU Cache)是用于减少处理器访问内存所需平均时间的部件。在金字塔式存储体系中它位于自顶向下的第二层,仅次于 CPU 寄存器,如下图所示:
CPU 缓存的容量远小于内存,但速度却可以接近处理器的频率。当处理器发出内存访问请求时,会先查看缓存内是否有请求数据。如果存在(命中),则不经访问内存直接返回该数据;如果不存在(失效),则要先把内存中的相应数据载入缓存,再将其返回处理器。
CPU 缓存可以分为一级缓存(L1),二级缓存(L2),部分高端 CPU 还具有三级缓存(L3),这三种缓存的技术难度和制造成本是相对递减的,所以其容量也是相对递增的。当 CPU 要读取一个数据时,首先从一级缓存中查找,如果没有找到再从二级缓存中查找,如果还是没有就从三级缓存或内存中查找。
以下是各级缓存和内存响应时间的对比图:
从上图可以看出内存的响应速度要比 CPU 缓存慢很多。
局部变量为什么快?
要理解为什么局部变量会比全局变量快这个问题,我们只需要使用 javac 把他们编译成字节码就可以找到原因了,编译的字节码如下:
其中关键的信息就在 getfield 关键字上,getfield 在此处的语义是从堆上获取变量,从上述的字节码可以看出 globalVarTest 方法在循环的内部每次都通过 getfield 关键字从堆上获取变量,而 localityVarTest 方法并没有使用 getfield 关键字,而是使用了出栈操作来进行业务处理,而从堆中获取变量比出栈操作要慢很多,因此使用全局变量会比局部变量慢很多。关于堆、栈的内容关注公众号「Java中文社群」我在后面的 JVM 优化的章节会单独讲解。
关于缓存
有人可能会说无所谓,反正使用全局变量会使用 CPU Cache,这样性能也和局部变量差不多,那我就随便用吧,反正也差不多。
但磊哥的建议是,能用局部变量的绝不使用全局变量,因为 CPU 缓存有以下 3 个问题:
- CPU Cache 采用的是 LRU 和 Random 的清除算法,不常使用的缓存和随机抽取一部分缓存会被删除掉,如果正好是你用的那个全局变量呢?
- CPU Cache 有缓存命中率的问题,也就是有一定的几率会访问不到缓存;
- 部分 CPU 只有两级缓存(L1 和 L2),因此可以使用的空间是有限的。
综上所述,我们不能把程序的执行性能完全托付给一个不那么稳定的系统硬件,所以能用局部变量坚决不要使用全局变量。
关键点:编写适合你的代码,在性能、可读性和实用性之间,找到属于你的平衡点!
总结
本文我们讲了局部变量的和全局变量的区别,如果使用全局变量会用 getfield 关键字从堆中获取变量,而局部变量则是通过出栈来获取变量的,因为出栈操作要比堆操作快很多,因此局部变量操作也会比全局变量快很多,所以建议你使用局部变量而不是全局变量。
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